JP4136028B2 - Magnetic thin film memory element, magnetic thin film memory using the same, and recording / reproducing method thereof - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁化の向きによって情報を記録し、磁気抵抗効果によって再生する磁性薄膜メモリ素子およびそれを用いた磁性薄膜メモリに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁性薄膜メモリは半導体メモリと同じく可動部のない固体メモリであるが、電源が断たれても情報を失わず、繰り返し書き換え回数が無限回であり、放射線が入射しても記録内容が消失する危険性がない等、半導体メモリと比較して有利な点がある。特に近年、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用した薄膜磁気メモリは、従来から提案されている異方性磁気抵抗効果を用いた磁性薄膜メモリと比較して大きな出力が得られるため注目されている。
【０００３】
例えば日本応用磁気学会誌ＶＯＬ．２０、ｐ２２（１９９６）には、図１２に示したように硬質磁性膜ＨＭ／非磁性膜ＮＭ／軟磁性膜ＳＭ／非磁性膜ＮＭなる構成要素を複数回積層してメモリー素子とした固体メモリが提案されている。このメモリー素子には金属導体と接合されてセンス線Ｓが、また、絶縁膜Ｉによって上記センス線Ｓと絶縁されたワード線Ｗが、各々設けられており、このワード線電流およびセンス線電流によって発生する磁界により情報の書き込みを行う。
【０００４】
具体的には図１３に示したように、ワード線Ｗに電流Ｉを流し電流の向きＩＤによって異なる方向の磁界を発生させて硬質磁性膜ＨＭの磁化反転を行いメモリー状態“０”，“１”の記録を行う。例えば同図（ａ）に示すように正の電流を流して、同図（ｂ）に示すように右向きの磁界を発生させて硬質磁性膜ＨＭに“１”の記録を行い、また同図（ｃ）に示すように負の電流を流して、同図（ｄ）に示すように左向きの磁界を発生させて硬質磁性膜ＨＭに“０”の記録を行う。情報の読み出しは図１４に示すようにワード線Ｗに記録電流より小さい電流Ｉを流して軟磁性膜ＳＭの磁化反転のみを起こし、その際の抵抗変化を測定する。巨大磁気抵抗効果を利用すれば軟磁性膜ＳＭと硬質磁性膜ＨＭの磁化が平行の場合と反平行の場合で抵抗値が異なるので、そのとき生ずる抵抗変化により“１”，“０”のメモリー状態を判別することができる。
【０００５】
同図（ａ）に示したような正から負のパルスを印加すると、軟磁性膜は右向きから左向きとなり、メモリー状態“１”に対しては、同図（ｂ）のように小さい抵抗値から同図（ｃ）のように大きい抵抗値に変化する。メモリー状態“０”に対しては、同図（ｄ）のように大きい抵抗値から同図（ｅ）のように小さい抵抗値に変化する。このようにして抵抗の変化を読み取れば、記録後の軟磁性膜ＳＭの磁化状態に関わらず硬質磁性膜ＨＭに記録した情報の読み出しが可能であり、非破壊読み出しが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成の磁性薄膜メモリは、ビットセルの面積を小さくするに伴って、磁性層内部で生じる反磁界（自己減磁界）が無視できなくなり、記録保持する磁性層の磁化方向が一方向に定まらず不安定となってしまう。従って上記構成の磁性薄膜メモリは、ビットセルを微細化すると共に情報の保存ができず、高集積化が不可能であるといった欠点を有していた。
【０００７】
本発明は、これらの点に鑑み、ビットセルを微細化する際に問題となる磁性薄膜の反磁界をなくし、高集積化を可能にした磁性薄膜メモリを提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明はさらに安定した記録再生を実現し、非磁性層の製造マージンが広く、再生時間が短く、ノイズの少ない再生を実現する磁性薄膜メモリの記録再生方法提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に、膜面内の一方向に磁化配向し低い保磁力を有する第１磁性層と、この第１磁性層の磁化配向と平行または反平行に磁化配向し第１の磁性層よりも高い保磁力を有する第２磁性層と、この第１磁性層と第２磁性層との層間に設けられた非磁性層とを有し、この第１磁性層から第２磁性層までの積層構造の層方向の電気抵抗が、前記第１磁性層の磁化方向とこの第２磁性層の磁化方向が平行のときは低い抵抗値を示し、反平行のときは平行状態に比較して高い抵抗値を示す磁気抵抗素子を用いた磁性薄膜メモリ素子であって、前記第１磁性層および第２磁性層と共に前記非磁性層を囲むように前記第１磁性層および第２磁性層に接して第３磁性層が設けられ、外部磁界が０のときには前記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向が反平行状態を示して第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層によりこの非磁性層を囲む閉磁路を構成することを特徴とする磁性薄膜メモリ素子に関する。
【００１０】
本発明で用いられる基板は、特に制限はないがシリコン基板を用いるとメモリ動作に必要なスイッチング素子、センス回路、ドライバー、アンプ等の半導体素子を本発明の磁性薄膜素子と同一の基板上に作成することができる。
【００１１】
前記第３磁性層は、前記第１磁性層および前記第２磁性層の側面に接して設けられることが好ましい。
【００１２】
また、前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層の層間にあって前記非磁性層の両端に設けられていてもよく、さらにこの場合には前記第３磁性層の全体の長さは、前記非磁性層の長さの３分の１以下であることが好ましい。
【００１３】
本発明の磁性薄膜メモリ素子において、第１磁性層および第２磁性層の長さＬ（μｍ）と磁性層の膜厚ｔ（μｍ）との関係は、（式１）で表されることが好ましい。
【００１４】
（式１） Ｌ＜３０×ｔ
また、前記磁性薄膜素子を複数個配列したときに、隣接する磁性薄膜素子の第２磁性層間の距離ｄ（μｍ）と第１磁性層および第２磁性層の膜厚ｔ（μｍ）との関係が（式２）で表されることが好ましい。
【００１５】
（式２） ｄ＜３．３８×ｔ^0.68
前記第３磁性層の磁気異方性、保磁力は、前記第１磁性層および前記第２磁性層の磁気異方性、保磁力より小さいことが好ましい。
【００１６】
前記第３磁性層の材料としては、 ＮｉおよびＦｅを主要構成成分とする金属膜からなることが好ましい。
【００１７】
また、前記第３磁性層の材料として、ＧｄＦｅおよびＴｂＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の合金を含む金属膜からなることも好ましい。
【００１８】
さらに前記第３磁性層は絶縁性材料からなることも好ましい。
【００１９】
前記第１磁性層の保磁力は、前記第２磁性層の保磁力の半分以下であることが好ましく、前記第２磁性層の保磁力は５［Ｏｅ］以上で５０［Ｏｅ］以下であることが好ましく、この場合、第１磁性層の保磁力は２［Ｏｅ］以上で２５［Ｏｅ］以下であることが好ましい。
【００２０】
前記第１磁性層および前記第２磁性層の長さと幅の比は、２以上であり、長さ方向に前記第３磁性層が設けられていることが好ましい。
【００２１】
前記第１磁性層は、 Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏからなる群より選ばれる少なくとも１種を構成成分とする金属膜からなることが好ましい。
【００２２】
また前記第２磁性層は、Ｆｅおよび／またはＣｏを主要構成成分とする金属膜からなることが好ましい。
【００２３】
本発明の磁性薄膜メモリの第１の例は、スピン依存トンネリングにより磁気抵抗効果が生じることを特徴とする。この場合、前記非磁性層はＡｌＯ_x、ＡｌＮ_x、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_xおよびＮｉＯ_xからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物からなることが好ましく、前記非磁性層の膜厚は４オングストローム以上２５オングストローム以下であることが好ましい。また前記第１磁性層および第２磁性層の膜厚は２０オングストローム以上が好ましくさらには８０オングストローム以上が好ましく、５０００オングストローム以下が好ましくより好ましくは１０００オングストローム以下がよい。
【００２４】
本発明の磁性薄膜メモリの第２の例は、スピン依存散乱により磁気抵抗効果が生じることを特徴とする。この場合、前記非磁性層に良導体である金属層を用いることが好ましく、特にＣｕを構成成分とすることが好ましい。この非磁性層の膜厚は５オングストローム以上６０オングストローム以下であることが好ましい。また前記第１磁性層および第２磁性層の膜厚は２０オングストローム以上２００オングストローム以下であることが好ましい。
【００２５】
また前記第１磁性層と前記非磁性層の間、もしくは前記第２磁性層と前記非磁性層の間、またはその両方にＣｏを主成分とする磁性層が設けられていることが好ましい。
【００２６】
また、前記磁性薄膜素子は、前記非磁性層を挟んで第１磁性層および第２磁性層が２回以上３０回以下に積層することも可能である。
【００２７】
本発明の磁性薄膜メモリは、マトリックス状に配列された複数の上記の磁性薄膜メモリ素子と、縦（または横方向）に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層（または第１磁性層）に接続される第１ワード線と、この第１ワード線と交差する方向に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第１磁性層（または第２磁性層）に接続される第２ワード線とを有し、各磁性薄膜メモリ素子が第１ワード線および第２ワード線により挟まれて構成される。
【００２８】
本発明の磁性薄膜メモリに記録を行う場合、第１ワード線と第２ワード線に電流を流しこの電流により生じる合成磁界により前記第２磁性層の磁化方向を定め、前記ワード線の電流を流す方向を変えることにより“０”と“１”の状態を記録する。また再生する場合は、再生時のワード電流により生じる磁界により、前記メモリ素子の第１磁性層のみの磁化方向が反転することにより生じる抵抗変化を利用する。前記ワード電流により生じる磁界は、第１磁性層の反転磁界より大きく、第２磁性層の反転磁界より小さい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の磁性薄膜メモリ素子においては、保存時には記録に関わる磁性膜が閉磁路を構成するため、反磁界による悪影響をなくすことが可能であり、安定に磁化情報を保存できる。従って、１ビットのセル幅を小さくすることができ、集積度の高い磁性薄膜メモリを実現することができる。
【００３０】
また隣接セルに漏洩磁界が漏れ出さないため、より安定に情報の記録再生を行うことが可能となる。
【００３１】
また、再生を１パルスで行うことができるためアクセス時間を短縮することができる。
【００３２】
また非磁性層の製造マージンを広げることが可能であり、再生時の抵抗ばらつきを抑えることができＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３３】
［磁性薄膜メモリ素子の構成］
次に本発明を図面を用いてより詳細に説明する。図１および図２は本発明の磁性薄膜メモリ素子の一例を示す説明図である。図１（ａ）において、１は第１磁性層、２は第２磁性層、３は第３磁性層、４は非磁性層を示す。また矢印は各磁性層における主な磁化方向を示している。また図１（ｂ）は図１の構成のメモリ素子の磁化状態をより詳細に示したものである。また図１（ｃ）は図１（ａ）の構成のメモリ素子の磁化状態を第１磁性層側の上面から示したものである。
【００３４】
図１に示すように、本発明に関わる磁気抵抗薄膜素子は、膜面内の一方向に磁化方向がある第１磁性層１および第２磁性層２が、非磁性層を介して積層されており、第１磁性層および第２磁性層の側面には第３磁性層３が設けられており、全体として第１磁性層および第２磁性層および第３磁性層が非磁性層を囲むように配置されている。
【００３５】
外部磁界が０の保存状態では、第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化は反平行であって、第３磁性層を介して閉磁路構成となっている。
【００３６】
図１（ａ）には、それぞれの層の磁化方向として主な向きを示したが、詳細には第３磁性層の磁化は図１（ｂ）に示すように緩やかに曲がって環状のループを作っており、安定なエネルギー状態が実現されている。第１、２および３磁性層内部の至る所で磁束密度と断面積の積が一定であることが完全な閉磁路ができるために好ましい。図１（ｃ）に示すように、第１磁性層の磁化は一方向に一様に配向している。また第２磁性層の磁化状態も磁化方向を逆向きにした以外は図１（ｃ）と同じように一方向に一様に配向した状態となっており、安定な磁化状態が実現されている。
【００３７】
第３磁性層は、環状ループのうち曲率の大きいところを担っているため、第３磁性層は、第１磁性層および第２磁性層に比べて磁気異方性、保磁力が小さく透磁率が高く、容易に任意の磁化方向をとれる材料が好ましい。また第３磁性層に磁壁エネルギーが小さい材料を選択することも、スピンがカーブする場合に起きる磁壁エネルギーの上昇を抑えるために好ましい。
【００３８】
第３磁性層の材料としては、磁歪定数、磁気異方性が小さく、第１磁性層、第２磁性層より保磁力が小さい磁性材料が好ましい。このようなものとしてＮｉおよびＦｅを主要構成成分とする金属膜が挙げられ、具体的にはＮｉＦｅおよびＮｉＦｅＣｏ等を挙げることができる。
また、第３磁性層の材料として垂直磁化膜を用いることも好ましく、ＧｄＦｅ、ＮｄＦｅおよびＴｂＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の合金を含む金属膜等が用いられる。この合金としては、Ｇｄ _ｘ Ｆｅ _{１００−ｘ} およびＴｂ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}等を挙げることができる。これらの垂直磁化膜については、ｘは元素組成で１０以上３５以下が好ましい。これらの合金はさらにＣｏ等の添加元素を混入させて用いることができる。
【００３９】
なお、図１では、第３磁性層は、第１磁性層および非磁性層および第２磁性層の側面に接するように配置されているが、図２（ａ）に示したように、第３磁性層３を第１磁性層１および第２磁性層２の中間に配置して、非磁性層４の一部を置き換える形で設けてもよい。図２（ａ）の構成を磁化状態を詳細に示すと図２（ｂ）のように閉磁路を構成しており、この場合磁化の環状ループの曲率の大きいところは第１磁性層および第２磁性層中に存在している。第１磁性層を上から見ると図２（ｃ）に示すようにこの構成の素子においても第１磁性層の磁化は一方向に一様に配向している。また第２磁性層の磁化状態も磁化方向を逆向き以外は図２（ｃ）と同じように一方向に一様に配向した状態となっており、安定な磁化状態が実現されている。
【００４０】
図２の構成の場合には、第３磁性層３の占有範囲を大きくしすぎると磁気抵抗効果が低下するので、第３磁性層の合計の長さは非磁性層の長さに対して３分の１以内にすることが好ましい。より好ましくは４分の１以下である。この構成の素子の場合は、第３磁性層は、閉磁路のうち主に垂直磁化領域を受け持つ部分なので垂直磁化成分が大きい材料を用いるのがより好ましい。
【００４１】
また上述では図１および図２の構成のメモリ素子を示したが、これらを兼ね備えた構成でもよく、第１磁性層および第２磁性層が第３磁性層を介して、全体として環状の磁化ループが形成される形で形成されればよい。
【００４２】
［第１の実施形態］
本発明の磁性薄膜メモリの第１の形態においては、スピン依存トンネリングによる磁気抵抗効果が生じる磁性薄膜メモリ素子を用いる。このスピントンネリングによる磁気抵抗効果は、例えば図１または図２に示す第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の構造において、非磁性層には薄い絶縁層を用いる。そして、再生時に電流を膜面に対して垂直に流した際に第１磁性層から第２磁性層へ電子のトンネル現象が起きるようにする。
【００４３】
本発明で用いるスピン依存トンネリングタイプの磁性薄膜メモリ素子は、強磁性体金属において伝導電子がスピン偏極を起こしているため、フェルミ面における上向きスピンと下向きスピンの電子状態が異なっており、このような強磁性体金属を用いて、強磁性体と絶縁体と強磁性体からなる強磁性トンネル接合を作ると、伝導電子はそのスピンを保ったままトンネルするため、両磁性層の磁化状態によってトンネル確率が変化し、それがトンネル抵抗の変化となって現れる。従って、第１磁性層と第２磁性層の磁化が平行の場合は抵抗が小さく第１磁性層と第２磁性層の磁化が反平行の場合は抵抗が大きくなる。
【００４４】
上向きスピンと下向きスピンの状態密度の差が大きい方がこの抵抗値は大きくなりより大きな再生信号が得られるので、第１磁性層と第２磁性層はスピン分極率の高い磁性材料を用いることが好ましい。具体的にはＮｉ、ＦｅおよびＣｏからなる群より選ばれる少なくとも１種を構成成分とする金属膜からなることが好ましい。具体的にはＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ等を挙げることができる。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは０以上８２以下が好ましい。より具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ₇₂Ｆｅ₂₈、Ｎｉ₅₁Ｆｅ₄₉、Ｎｉ₄₂Ｆｅ₅₈、Ｎｉ₂₅Ｆｅ₇₅、Ｎｉ₉Ｆｅ₉₁等が挙げられる。特にフェルミ面における上下スピンの偏極量が大きいＦｅを含むものが好ましく、さらにＣｏを第２成分として含むものが好ましい。
【００４５】
第１磁性層は、第２磁性層と環状ループを形成するとともに、第２磁性層に保存された磁化情報をスピントンネルによる巨大磁気抵抗効果を利用して読み出すために設けられたものである。第１磁性層は第２磁性層よりも低い保磁力を有し、再生時には第１磁性層のみが反転し、保存時には第２磁性層と環状ループを形成しやすいような材料を選択する。
【００４６】
従って、第１磁性膜を形成する材料としては、上述の組成のなかでもＮｉを含む軟磁性材料が好ましく、具体的にはＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｏを含む合金膜を用いることがより好ましい。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは３０以上８２以下が好ましい。またＮｉＦｅＣｏの元素組成は、Ｎｉ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xとした場合、ｘは３０以上８２以下、ｙは０以上９０以下が好ましい。
【００４７】
第１磁性層の膜厚は、薄すぎるとセルの抵抗値が小さくなって再生信号出力が十分得られない場合があるので２０オングストローム以上が好ましく、さらには８０オングストローム以上が好ましい。再生時に電流を膜面に対して垂直に流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｌｍ Ｐｌａｎｅ）−ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を用いる場合では、スピンの向きを保存して動ける距離、即ちスピン拡散長が重要因子となる。そこで第１磁性層の膜厚は、スピン拡散長より薄くすることが好ましく、厚すぎるとセルの抵抗値が大きくなりすぎる等の問題があるので、５０００オングストローム以下が好ましく、１０００オングストローム以下がさらに好ましい。
【００４８】
第２磁性層は、主に磁化情報を保存する目的で設けられたもので、”０”と”１”の情報に応じて磁化の向きが決まる。第２磁性層は、第１磁性層と同じく巨大磁気抵抗効果が効率的に発生すること、および、安定に磁化状態を保存できることが必要である。第２磁性層は第１磁性層よりも高い保磁力を有する。このため第２磁性層は上述の組成のうち、特にＦｅおよび／またはＣｏを主要構成成分とする金属膜からなるものが好ましい。例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等の磁性膜をあげることができる。
【００４９】
また第２磁性層に保磁力の制御、耐食性の向上などの目的でＰｔ等の添加元素を加えてもよい。ＣｏにＦｅを添加すると保磁力は小さくなり、Ｐｔを添加すると保磁力は大きくなるので、第２磁性層を例えばＣｏ_100-x-yＦｅ_xＰｔ_yとして元素組成ｘおよびｙを調節して保磁力を制御すればよい。また成膜時の基板温度を高くすることによっても保磁力を高めることができるので、別の保磁力の制御方法として成膜時の基板温度を調節してもよい。この方法と前述した強磁性薄膜の組成を調節する方法とを組合せてもよい。
【００５０】
また第１磁性層の保磁力の調節も上述と同様に、膜組成と成膜時の基板温度で調節することができる。
【００５１】
第２磁性層の膜厚は、あまり薄すぎるとメモリ保持性能が劣化し、また再生信号出力が減少してしまうセルの抵抗値が小さくなり、また磁化を保持できなくなるので２０オングストローム以上が好ましく、さらには８０オングストローム以上が好ましい。ＣＰＰ−ＭＲ効果を用いる場合では、スピンの向きを保存して動ける距離、即ちスピン拡散長が重要因子となる。そこで第２磁性層の膜厚は、スピン拡散長より薄くすることが好ましく、厚すぎるとセルの抵抗値が大きくなりすぎる、また、ワード電極からの距離が離れて磁化反転が起きにくくなるなどの問題があるので、５０００オングストローム以下が好ましく、より好ましくは１０００オングストローム以下がよい。
【００５２】
非磁性層は電子がスピンを保持してトンネルするために非磁性でなければならない。この実施形態における非磁性層は、第１磁性層と第２磁性層の間を絶縁する層であり、層の全部が絶縁材料で形成されていても、多層構造としてその一部の層を絶縁層とすることもできる。特に一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることにより、磁気抵抗効果を更に高めることができる。
【００５３】
非磁性層に用いる絶縁材料としては、ＡｌＯ_x、ＡｌＮ_x、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_x、およびＮｉＯ_x等を挙げることができる。この中でもＡｌ₂Ｏ₃が絶縁性が高く緻密であるため好ましい。絶縁材料が酸化膜である場合は、例えばＡｌ膜を形成し、その一部を空気中で酸化させてＡｌ₂Ｏ₃層を形成することができる。
【００５４】
また、前記非磁性層は数１０オングストローム程度の均一な層であって、その膜厚は４オングストローム以上２５オングストローム以下であることが好ましい。より好ましくは６オングストローム以上１８オングストロームがよい。
【００５５】
［第２の実施形態］
本発明の磁性薄膜メモリの第２の実施形態は、スピン依存散乱により磁気抵抗効果が生じる磁性薄膜メモリ素子を用いる。このスピン依存散乱による磁気抵抗効果は、例えば図１または図２に示す様に第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の構造において、非磁性層には良導体である金属層を用いる。このスピン依存散乱により磁気抵抗効果は、伝導電子の散乱がスピンによって大きく異なることに由来している。即ち磁化と同じ向きのスピンを持つ伝導電子はあまり散乱されないため抵抗が小さくなる。一方、前記の非磁性層を介した各磁性層が反強磁性配列となった場合、いずれのスピンを持つ伝導電子も反対方向のスピンを持った磁性原子によって同等に散乱されるために前記の場合の抵抗値よりも大きくなる。そして再生時に電流を膜面に対して垂直に流すＣＰＰ−ＭＲ効果を用いる。このＣＰＰ−ＭＲは膜面に平行に電流を流すＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｐｌａｎｅｔｏ ｔｈｅ ｆｉｌｍ Ｐｌａｎｅ）−ＭＲ効果よりも伝導電子が界面を横切る確率が増えるため大きな抵抗変化率が得られる信号検出感度を高くすることができる。
【００５６】
この場合の第１磁性層と第２磁性層と非磁性層の特徴を示す。第１磁性層は、第２磁性層と環状ループを形成するとともに、第２磁性層に保存された磁化情報を巨大磁気抵抗効果を利用して読み出すために設けられたものである。
【００５７】
第１磁性層は、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏからなる群より選ばれる少なくとも１種を構成成分とする金属膜からなることが好ましい。この金属（合金）としては、例えばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＦｅＣｏおよびＣｏＦｅＢ等を挙げることができる。ＮｉＦｅの元素組成は、Ｎｉ_xＦｅ_100-xとした場合、ｘは３５以上８６以下が好ましい。また、ＮｉＦｅＣｏの元素組成は、Ｎｉ_x（Ｆｅ_100-yＣｏ_y）_100-xとした場合、ｘは１０以上７０以下、ｙは３０以上９０以下が好ましく、さらにｙは６０以上８５以下が好ましい。
【００５８】
また、第１磁性層として、ＣｏおよびＦｅを主要構成成分とするアモルファス合金からなることも好ましい。具体的には、Ｃｏ₈₄Ｆｅ₉Ｂ₇、Ｃｏ₇₂Ｆｅ₈Ｂ₂₀等の組成をもつＣｏＦｅＢ等のアモルファス磁性体が挙げられる。
【００５９】
第２磁性層は、主に磁化情報を保存する目的で設けられたもので、“０”、“１”の情報に応じて磁化の向きが決定される。第２磁性層は、第１磁性層と同じく巨大磁気抵抗効果が効率的に発生すること、および安定に磁化状態を保存できることが必要である。
【００６０】
第２磁性層は、Ｆｅおよび／またはＣｏを主要構成成分とする金属膜からなることが好ましい。例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、Ｃｏ等の金属（合金）を挙げることができる。また、Ｐｔ等の添加元素を加えてもよい。ＣｏにＦｅを添加すると保磁力は小さくなり、Ｐｔを添加すると保磁力は大きくなるので、第２磁性層を例えばＣｏ_100-x-yＦｅ_xＰｔ_yとして元素組成ｘおよびｙを調節して保磁力を制御すればよい。
【００６１】
第１磁性層の膜厚は、散乱型の巨大磁気抵抗効果が効率よく発生するように設定されることが必要である。具体的には、第１磁性層の膜厚が電子の平均自由行程より大幅に大きくなると、フォノン散乱を受けてその効果が薄れるため、少なくとも２００オングストローム以下であることが好ましい。さらに好ましくは１５０オングストローム以下がよい。しかし、薄すぎるとセルの抵抗値が小さくなり再生信号出力が減少し、また磁化を保持できなくなる場合があるので、２０オングストローム以上が好ましく、さらには８０オングストローム以上が好ましい。
【００６２】
第２磁性層の膜厚も第１磁性層の場合と同様に、散乱型の巨大磁気抵抗効果が効率よく発生するように設定されるため、少なくとも２００オングストローム以下であることが好ましい。さらに好ましくは１５０オングストローム以下がよい。しかしあまり薄すぎるとメモリ保持性能が劣化し、またセルの抵抗値が小さくなり再生信号出力が減少してしまう場合があるので、２０オングストローム以上が好ましく、さらには８０オングストローム以上が好ましい。
【００６３】
この実施形態においては、非磁性層は良導体からなり、好ましくは、Ｃｕを主成分として用いることが、磁性層とフェルミエネルギー準位が近く、密着性もよいため、磁化方向が変わるときに界面で抵抗が生じ易く大きな磁気抵抗比を得るのに好都合である。また、非磁性層の膜厚は５オングストローム以上６０オングストローム以下であることが好ましい。
【００６４】
また、この実施形態では、第１磁性層と非磁性層の間もしくは第２磁性層と非磁性層の間またはその両方の間に、Ｃｏを主成分とする磁性層を設けると、磁気抵抗比が高くなるため、より高いＳ／Ｎ比が得られるため好ましい。この場合のＣｏを主成分とする層の厚みは２０オングストローム以下が好ましい。
【００６５】
また本発明ではＳ／Ｎを向上させるために、｛第１磁性層／非磁性層／第２磁性層／非磁性層｝を１つのユニットとして、このユニットを積層してもよい。積層する組数は多いほどＭＲ比が大きくなり好ましいが、積層する組数を余り多くすると磁性層と非磁性層との界面に乱れが生じやすくなる等の問題が発生するので、積層の回数は４０組以下、さらに好ましくは３〜２０組程度とすることが好ましい。
【００６６】
［メモリの構成］
次に上述した磁性薄膜メモリ素子を多数配列して固体メモリを作成する場合のメモリセルの配列構造について詳細に説明する。
【００６７】
図６は、本発明の磁性薄膜メモリの例を上面から見た図である。メモリセル１７は１個の磁性薄膜メモリ素子を有する１個の記憶単位である。この図では多数のメモリセル１７のうち一部のみ図示し他の大部分は省略している。
【００６８】
本発明の磁性薄膜メモリは、縦または横方向に並ぶ第１ワード線とこの第１ワード線と交差する方向に並ぶ第２ワード線とを有しており、その交差する部分に磁性薄膜メモリ素子が配列されている。磁性薄膜メモリ素子は上下から第１ワード線と第２ワード線によって挟まれて、それぞれがマトリックス状に並列に接続されている。
【００６９】
第１ワード線および第２ワード線は、記録と同時に再生のために設けられているものである。各第１ワード線と各第２ワード線の両端には、駆動回路領域９、１０、１１が設けられ、この領域には、各ワード線および各センス線を選択駆動するためのデコーダー、ドライバ等の半導体素子が設けられている。
【００７０】
本発明に用いられるワード線の材料としては、導電率が第１、２、３磁性層よりも大きな良導体を用いる。例えばアルミニウム、銅、タングステン、もしくはこれらの混合物、またはこれらとシリコンなどとの混合物などが挙げられる。
【００７１】
図３は図１を一部分を拡大して立体的に示したものである。同図に示した様にメモリ素子１０１、１０２、１０３は並列に配列され各メモリ素子間は図示していないが絶縁体が設けられておりメモリ素子同士が電気的に導通することを防いでいる。第１ワード線５１、５２、５３と第２ワード線６はメモリ素子を挟んで直交して設けられている。
【００７２】
また、図４は本発明の磁性薄膜メモリの別の配列構造例を示したものである。この構成では第３磁性層がメモリセルの間を充填する形で設けられており、第３磁性層が他のメモリ素子との素子間を分離する目的も兼ねており構造が簡略になって好ましい。この場合、第３磁性層は絶縁性の磁性体で形成されることが必要である。たとえば、酸化物磁性材料を用いることが好ましい。具体的にはＭＦｅ₂Ｏ₄で表される化合物において、元素ＭとしてＮｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｍｎ等を用いると抵抗率が大きいため好ましい。特に、ＮｉＦｅ₂Ｏ₄が抵抗率が最も高いので好ましい。
【００７３】
本発明の磁性薄膜メモリの別の配列構造例を図５に示した。この場合メモリ素子は図２に示した素子の構成となっている。この場合にはメモリ素子間は図３で示したと同じく、各メモリ素子間は図示していないが絶縁体が設けられておりメモリ素子同士が電気的に導通することを防いでいる。
【００７４】
尚、図３、４、５には示していないが、メモリ素子間のクロストークを防ぐために、各磁性薄膜メモリ素子の片側もしくは両側にスイッチング素子を設けてもよい。スイッチング素子によって選択的に特定の１メモリセルを選ぶことができる場合には第１ワード線および第２ワード線は直交せずに平行に位置していてもよい。
【００７５】
また、基板としてシリコン等の半導体基板を用いる場合には、第２ワード線を良導体等で別途設ける必要は必ずしもなく、半導体の基板中に不純物元素をパターン状に添加する等の公知の方法により電流の流れるチャンネルを形成し、これを第２ワード線として用いることもできる。
【００７６】
本発明の磁性薄膜メモリは、従来の磁性薄膜メモリと異なり、セルサイズを小さくしても磁化情報の保存性を保つことが可能である。この本発明の効果を以下に従来例と比較しながら説明する。
【００７７】
磁化情報の保存性が悪化する程度は磁性層の内部に生じる反磁界の大きさに依存し、反磁界が大きくなればなるほど磁化の保存性は悪化する。反磁界の大きさは、磁性膜を円盤形の楕円体と仮定すれば大まかな値を見積もることができる。
【００７８】
図７は、磁性層の長さＬと反磁界の大きさの関係をグラフに示したものである。
【００７９】
図７（ａ）には、比較例として図９（ａ）に示したような記録層として単層磁性膜１１１を用いた場合に、反磁界Ｈｄを磁性層の長さＬに対して示した。ここで磁性層の幅は長さに等しいとし、飽和磁化は典型的なパーマロイ（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）の値である８００ｅｍｕ／ｃｃとし、磁性層の膜厚は１００オングストローム、２００オングストローム、３００オングストロームの３種類の膜厚で求めた。反磁界は、磁性層の膜厚が薄くなると小さくなるが１００オングストロームの磁性層膜厚においても磁性層長さＬが１μｍ以下で約１００［Ｏｅ］以上の非常に大きな値になることがわかる。
【００８０】
図７（ｂ）には、別の比較例として図９（ｂ）に示した２層膜について同様に求めた。この場合も磁性層の幅は長さに等しいとし、飽和磁化は、８００ｅｍｕ／ｃｃ、磁性層１２１、磁性層１２２の膜厚は等しいとして１００オングストローム、２００オングストローム、３００オングストロームの３種類の膜厚で求めた。非磁性層１２３の膜厚は１０オングストロームとした。この２層膜の場合は、一方の磁性層１２１に生じる反磁界は他層１２２からの静磁界Ｈｓｔで緩和されるので、実効的に磁性層内部にかかる磁界Ｈｄ−Ｈｓｔを求めた。ここでＨｓｔは、磁荷がスピンカーリングすることなく端面に存在したと仮定した。実際にはスピンカーリングするためＨｓｔは求められた値より小さくなるが、それでもＨｄ−Ｈｓｔは磁性膜の長さＬが短くなるにつれて急激に、大きくなることがわかる。
【００８１】
第２磁性層の保磁力は、ワード電流の大きさの制約から５［Ｏｅ］以上５０［Ｏｅ］以下にすることが好ましく、更に好ましくは１０［Ｏｅ］から３０［Ｏｅ］程度にするのがよい。Ｈｄ−Ｈｓｔの大きさが２［Ｏｅ］以上では保磁力の１０分の１程度より大きくなり安定な磁化保存は困難である。Ｈｄ−Ｈｓｔが２［Ｏｅ］となる磁性層の長さＬは、磁性層の膜厚が１００オングストロームの時に０．３μｍ、２００オングストロームの時に０．６μｍ、３００オングストロームの時に０．９μｍである。このため従来の技術である２層磁性膜の反平行磁化状態を用いた場合には、磁性層の膜厚が１００オングストローム以上では磁性体長さ０．３μｍ以下のメモリセルで磁化の安定な保存が困難になり、さらに磁性層の膜厚が２００オングストローム以上では磁性体長さ０．６μｍ以下のメモリセルで、磁性層の膜厚が３００オングストローム以上では０．９μｍ以下のメモリセルで磁化の安定保存が困難になることがわかる。
【００８２】
Ｈｄ−Ｈｓｔが２［Ｏｅ］となる磁性層の長さＬ（μｍ）を磁性層の膜厚ｔ（μｍ）に対してプロットすると図１０となり、Ｌとｔの関係は（式１）で表される。
【００８３】
（式１） Ｌ（μｍ）＝３０×ｔ（μｍ）
これに対して図７（ｃ）には、図９（ｂ）に図示した従来の２層磁性膜に第３磁性層を設けた本発明の閉磁路構成からなる磁性膜について、反磁界（磁性体内部で発生する磁界Ｈｉｎ）を示したが、磁性層の膜厚および磁性膜の長さＬによらず反磁界は０であり、磁化の配向性を妨げる反磁界の大きさが、効果的に抑えられている。従って、本発明では、磁性層の膜厚ｔ（μｍ）と磁性層の長さＬ（μｍ）との関係が（式２）の条件の時であっても磁化が安定に保存される。
【００８４】
（式２） Ｌ（μｍ）＜３０×ｔ（μｍ）
即ち、本発明の磁性薄膜メモリ素子は、メモリセルを微細化して高集積化した際も、安定に磁化情報の保存が可能である。
【００８５】
また、比較例である従来の磁性薄膜では、形状が幅と長さが等しい形、たとえば上から見て正方形の形もしくは円形のような形にした場合には、面内方向に磁化配向させるのに十分な磁気異方性をだすのは困難であった。従って従来の磁性薄膜メモリでは長さと幅の比を２から３倍以上にして形状異方性により磁化配向させるようにしていた。しかしこの場合においても、上述の様にスピンが乱れが生じるため、室温付近でも磁性が消失する、いわゆる超常磁性（スーパーパラ磁性）現象がおきやすく、磁化の保存が不安定になるといった問題があった。
【００８６】
これに対して、本発明の磁性薄膜メモリは、磁性薄膜の形状が正方形の場合でも環状ループにすることによって比較的大きな異方性が生じる。このためメモリセルを正方形にしても情報安定性を確保することができ結果として集積度を飛躍的に高めることができる。本発明の磁性薄膜メモリを比較的高温の条件下で使用する可能性がある場合などは、長さと幅の比を１より大きくして形状異方性を出してより高くしてより保存性高める様にしてもよい。この場合は形状異方性の効果は長さと幅の比が２以上でその効果が明確になる。このため磁性薄膜メモリ素子の長さと幅の比は２以上とするのがよい。この場合には第３磁性層は長さ方向に設けるのがよい。
【００８７】
また別の磁気異方性を誘起する方法として、成膜中に磁界を印加する方法があり、この方法は容易であってかつ有効である。これを行うには、第１磁性層および第２磁性層の成膜中に永久磁石などを用いて基板に対して面内の一方向に磁界を印加すればよい。磁界の強度は１０［Ｏｅ］以上の外部磁界を印加して行うことが好ましい。更に好ましくは５０［Ｏｅ］以上の磁界を成膜中に一方向に印加するのがよい。この場合第３磁性層は、磁界を印加した方向に設けるのがよい。
【００８８】
さらに本発明の磁性薄膜メモリ素子は外部に漏洩磁界が発生しないことが特徴である。このため、セルサイズを小さくしてもより安定に情報の記録再生を行うが可能である。
【００８９】
この効果を比較例とともに図８に示す。図８（ａ）、（ｂ）は図９（ａ）、（ｂ）に示した従来の単層膜または２層膜のメモリ素子を直列に並べたときに、隣接するメモリ素子の側面に発生する面内方向の磁界の大きさＨｎを磁性膜間の距離ｄに対してプロットしたものである。図８（ｃ）も同様に図３〜５に示したような本発明の磁性薄膜メモリ素子について、隣接するメモリ素子の側面に発生する面内方向の磁界の大きさＨｎを隣り合うメモリ素子の第１磁性層間もしくは第２磁性層間の距離ｄに対してプロットしたものである。磁性膜の長さは全て０．２μｍとし、飽和磁化および磁性膜、非磁性膜の膜厚は前述の図７の場合と同じとした。
【００９０】
図８（ａ）から比較例である単層磁性膜では、０．６μｍ以下のメモリ素子間距離ｄでは、１００オングストローム以上の膜厚で５［Ｏｅ］以上の磁界が発生し、図８（ｂ）から別の比較例である２層の磁性膜では、磁性層の膜厚に応じて急激に大きくなることがわかる。前述したように第２磁性層の保磁力は５［Ｏｅ］以上５０［Ｏｅ］以下にすることが好ましく、更に好ましくは１０［Ｏｅ］から３０［Ｏｅ］程度にするのがよく、再生時には記録時の半分以下の磁界を印加するのが好ましいので、５［Ｏｅ］以上２０［Ｏｅ］以下の発生磁界で磁化反転させることがより好ましい。
【００９１】
このため隣接のメモリ素子から発生する磁界Ｈｎが１［Ｏｅ］に達した場合、ワード線から発生させる磁界に対して記録時は１０分の１程度、再生時は５分の１程度の大きさになりえるため録再生時、特には再生時に誤動作の大きな原因となりえる。隣接のメモリ素子から発生する磁界Ｈｎが１［Ｏｅ］となる磁性膜間の距離ｄは、磁性層の膜厚ｔが１００オングストロームの時に０．１５μｍ、２００オングストロームの時に０．２５μｍ、３００オングストロームの時に０．３３μｍである。さらに他の磁性層膜厚に対しても求めて、磁性膜間の距離ｄ（μｍ）を磁性層の膜厚ｔ（μｍ）に対してプロットすると図１１となり、ｄとｔの関係は（式３）で表される。
【００９２】
（式３） ｄ＝３．３８×ｔ^0.68
このため従来の技術である２層磁性膜の反平行磁化状態を用いた場合には、磁性層の膜厚が１００オングストローム以上では磁性膜間の距離ｄを０．１５μｍ以下にすると磁化の安定な保存が困難になり、さらに磁性層の膜厚が２００オングストローム以上では磁性膜間の距離ｄが０．２５μｍ以下で、磁性層の膜厚が３００オングストローム以上では磁性膜間の距離ｄが０．３３μｍ以下で安定な記録再生が困難になることがわかる。従って従来のセル構造では、集積度を上げるためにセル間の幅を小さくすることが困難となり高集積化が不可能である。
【００９３】
これに対して、本発明の磁性薄膜メモリ素子では、図８（ｃ）に示したように磁性層の膜厚によらず隣接セルに漏洩磁界が漏れ出さないため、より安定に情報の記録再生を行うことが可能となる。また、本発明の磁性薄膜メモリは、磁性層の膜厚ｔ（μｍ）と磁性膜間の距離ｄ（μｍ）との関係が（式４）の場合であっても隣接セルに漏洩磁界が漏れ出さないため、従来の技術比較してより大きな効果が得られる。
【００９４】
（式４） ｄ＜３．３８×ｔ^0.68
［記録方法］
次に本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた記録方法の例を示す。本発明のメモリ素子は、図６および図３から図５に示したように５１、５２、５３等の第１ワード線５および第２ワード線７の２本の電極線が設けられており、この各線に電流を流せばアンペールの法則に従って磁界が発生する。これら２本の電極線は直交しているため発生する磁界も直交しており、メモリセルの磁性層にかかる磁界はこれらの直交する磁界のベクトル和となる。この状態でワード線電流により第２磁性層が反転出来る程度の大きさの磁界を印加すれば第２磁性層の磁化は所望の方向に配向して記録が行われる。従って、マトリックス上の多数のセルから特定のセルのみの記録を行うことが可能である。尚、磁化反転の可否は、磁性層のアステロイド曲線で記述される。
【００９５】
尚、第１ワード線と第２ワード線はメモリ素子によって電気的に連結されている。しかし、例えばメモリ素子の抵抗を第１ワード線および第２ワード線の抵抗値にくらべて大きく設定すれば、記録時に第１ワード線の両端および第２ワード線の両端に電流を流してもメモリセルを通過する電流値は無視できるくらい小さいので、上述のような記録を行うことができる。
【００９６】
あるいは、上述したようにスイッチング素子をメモリ素子の片側もしくは両側に設けて選択的に特定の１メモリセルを選ぶようにすれば、特定の１メモリ素子の情報を書き換えることが可能である。
【００９７】
また、第１ワード線および第２ワード線以外に、これらと絶縁層を介してさらに別のワード線を同様に設けて記録を行ってもよい。
【００９８】
第２磁性層は、安定に磁化状態を保存することが好ましいので、高い保磁力を有することが必要である。しかし、同時にワード線がエレクトロマイグレーションによって断線するのを防ぐため、および消費電力を抑えるためには、小さい電流によって発生する弱い磁界で第２磁性層の磁化を反転できることが好ましく、このためには、第２磁性層は低い保磁力を有することが必要である。この両方の要請を満たすように第２磁性層の保磁力は決定される。具体的には第２磁性層の保磁力は５［Ｏｅ］以上で５０［Ｏｅ］以下が好ましい。さらに好ましくは１０［Ｏｅ］以上で３０［Ｏｅ］以下が好ましい。
【００９９】
また、保磁力を制御する等の目的で基板の上に、バッファー層を設けてその上にメモリ素子を形成してもよい。これは、バッファー層を設けることにより、異なるメモリセル間の保磁力のばらつきを抑えることができたり、保磁力の絶対値を制御することが容易になるからである。前記バッファー層として、例えばＳｉＮ等の絶縁材料が好ましい。
【０１００】
［再生方法］
次に本発明の磁性薄膜メモリを用いた再生方法の例を示す。
【０１０１】
本発明の磁性薄膜メモリの抵抗値は、第１磁性層と第２磁性層の磁化が平行の時は低く反平行の時は高くなる。本発明の磁性薄膜メモリは、保存時は反平行の磁化状態であるため高い抵抗状態にある。
【０１０２】
本発明の磁性薄膜メモリ素子を用いた再生方法の第１の例を、例えば図３のメモリセル１０２の情報を読み出す場合を例にとって説明する。
【０１０３】
まず第１ワード線の両瑞に電流を流して例えば図の右方向に磁界を発生させる。この磁界の大きさは、再生の際に保存した磁化情報が消えないようにするため、第１磁性層のみが反転し第２磁性層は反転しない大きさとする。この時、第２磁性層に記録された磁化が右向きの時は、第１磁性層は保存時の左向きから右方向に反転して第１磁性層と第２磁性層の磁化向きが同じ方向になり、メモリセルの抵抗値は小さくなる。一方第２磁性層に記録された磁化が左向きの時は、第１磁性層は保存時の右向きのままで、第１磁性層と第２磁性層の磁化向きは反平行であるので、抵抗値は大きい状態のままである。
【０１０４】
この状態で第１ワード線５２の端部と第２ワード線６の端部に電圧をかけてメモリセル１０２に電流を流しメモリセル１０２の抵抗値の大ききを検出すれば、その抵抗の大きさによって第２記録層に保存された磁化情報を読み出すことができる。
【０１０５】
次に再生方法の第２の例を以下に説明する。
【０１０６】
初めに第１ワード線５２の端部と第２ワード線６の端部に電圧をかけてメモリセル１０２に電流を流しメモリセル１０２の抵抗値の大きさを検出する。この抵抗は高い抵抗値である。この状態から第１ワード線５２の両端にも電流を流して、上述と同じく第１磁性層の磁化が反転できる程度の磁界を発生させる。この際の抵抗の変化を第１ワード線５２の端部と第２ワード線６の端部で測定すれば、抵抗の変化の有無によって第２記録層に保存された磁化情報を読み出すことができる。
【０１０７】
上述ではメモリセル１０２の情報を読み出す場合について記したが、他のセルを読み出す場合も同じである。
【０１０８】
尚、第３磁性層は、第１磁性層の磁化が第２磁性層と平行になった場合は、第１磁性層および第２磁性層が磁界印加中で最も安定な状態に磁化配向して安定化する。また、第１磁性層の保磁力は第２磁性層の保磁力よりも小さいことが必要である。十分な発生磁界のマージンを確保するためには、第１磁性層の保磁力は第２磁性層の保磁力の半分以下であることが好ましく、さらに好ましくは３分の１以下がよい。
【０１０９】
本発明の磁性薄膜メモリ素子は、磁界を印加していない状態では、第１磁性層と第２磁性層の磁化は常に逆向きとなっており、このためアクセスしない他のメモリセルの抵抗値は、常に一定となっている。従って、本発明の磁気抵抗素子を用いた再生方法は、メモリセルの磁化状態が定まっていない従来の磁性薄膜メモリを用いた再生方法と比較して、抵抗のばらつきが無くなるためよりノイズの少なく精度の良い検出が可能である。
【０１１０】
本発明の記録再生にはパルス電流を用いるが、このパルスの時間幅は、長すぎると、アクセス速度が遅くなったり、消費電力が大きくなる。短すぎると、適切な記録再生が行われなくなる。このため一回のパルスの時間幅は、１ｎｓから５００μｓの間にするのが良く、さらに好ましくは４ｎｓから１００ｎｓの間にするのがよい。また電流は多く流すと配線材料のエレクトロマイグレーションが発生して断線の危険が増し、少ない場合は良好な記録再生が実現しなくなる場合がある。電流値は、電線の断面積も考慮して定めることができるが、通常１０μＡから５００ｍＡの間にすることが好ましい。更に好ましくは、５０μＡから１０ｍＡの間にすることがよい。
【０１１１】
【実施例】
次に本発明の磁性薄膜メモリ素子を作製して動作を確認した。メモリ素子の成膜および加工はマグネトロンスパッタ装置およびフォーカスイオンビーム装置を用いて行った。スパッタ成膜は、スパッタチャンバーを５×１０^-5Ｐａの高真空にしたのち、スパッタガスとしてＡｒガスを導入して０．１Ｐａとして、ガラス基板上に行った。
【０１１２】
第１磁性層および第２磁性層の成膜は、長手方向に磁化容易軸ができるように２００［Ｏｅ］の磁界を印加しながら行った。
【０１１３】
はじめに１ｃｍ角のガラス基板上の全面に下部電極として膜厚１０μｍのＡｌ膜を成膜した。
【０１１４】
次に、第１磁性層としてＮｉ₃₀（Ｆｅ₇₀Ｃｏ₃₀）₇₀薄膜（膜厚５００オングストローム）を成膜した。次いでこの第１磁性層上に厚さ３０オングストロームのＡｌ薄膜を成膜した。
【０１１５】
次いでスパッタチャンバー内に微量の酸素を導入して基板側に負の電位を印加して逆スパッタを行いながらこのＡｌ膜の表面を酸化させ、絶縁層としてＡｌ₂Ｏ₃層を約１５オングストロームで形成した。更にこの上に第２磁性層としてＦｅ₃₀Ｃｏ₇₀薄膜（膜厚５００オングストローム）を成膜した。
【０１１６】
さらに上部電極として、Ａｌ膜を５μｍ厚で成膜した。
【０１１７】
各層の膜厚の制御は、スパッタ電力を調整することで行った。磁性層の元素組成比は、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏのターゲットの各々のスパッタ電力を調節することで行った。
【０１１８】
次に第１磁性層、絶縁層、第２磁性層および上部電極からなる積層部分のみを０．４μｍ×０．６μｍの大きさに加工したのち、加工された第１磁性層、絶縁層および第２磁性層の長さ方向の側面に接するように第３磁性層としてＮｉ₅₀Ｆｅ₅₀を成膜および加工して、図１の構成の磁性薄膜メモリ素子を作成した。第３磁性層は、幅は第１、２磁性層と同じ０．４μｍで、長さは０．６μｍとし膜厚は１０３０オングストロームとして側面両側に付け、図１と同じ構成となるようにした。
【０１１９】
次に、ＳｉＮを成膜し続いてイオンビームによるエッチングを行い、第１磁性層、絶縁層および第２磁性層の周囲に保護膜を形成した。その後、前記の上部電極と接するように上部端子電極として５ｍｍ角のＡｌ膜を膜厚１０μｍで形成した。
【０１２０】
次いで、Ｉｎを用いて下部電極と上部端子電極の各々にＣｕ線を接続して磁性薄膜メモリ素子を作成した。
【０１２１】
次にこの素子に磁界２５［Ｏｅ］を左向きに印加して”０”の記録を行った。磁界は素子の長さ方向に沿った面内方向に印加した。次に電極線に１０μＡの電流を流しながら抵抗値を測定しながら同様に左向きの方向の磁界１０［Ｏｅ］を発生させたところ、抵抗値が低くなり、磁界を印加するのをやめると抵抗値が元の大きな値に戻った。右向きに１０［Ｏｅ］を発生させたところ、抵抗値に変化は見られなかった。また左向きの磁界２５［Ｏｅ］を長さ方向の印加して”０”の記録を行ったのち同様の操作を行ったところ、左向きの弱い磁界では抵抗値の変化は見られなかったが、右向きの磁界では抵抗値が低くなるのが観測された。この時の磁気抵抗比は約７％であった。本実験例により本発明の磁性薄膜メモリ素子が良好に動作することが確認された。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明によれば、ビットセルを微細化する際に問題となる磁性薄膜の反磁界をなくし、高集積化を可能にした磁性薄膜メモリを提供することができる。
【０１２３】
また、本発明によれば、さらに安定した記録再生を実現し、非磁性層の製造マージンが広く、再生時間が短く、ノイズの少ない再生を実現する磁性薄膜メモリの記録再生方法提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の構造断面説明図である。矢印は磁化方向を示す。
（ｂ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の磁化状態を詳細に示した断面図である。
（ｃ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の磁化状態を上面から詳細に示した説明図である。
【図２】（ａ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の構造断面説明図である。（ｂ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の磁化状態を詳細に示した断面説明図である。
（ｃ）本発明の一実施例である磁性薄膜メモリの磁化状態を上面から詳細に示した説明図である。
【図３】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の配列構造を示した立体説明図である。
【図４】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の配列構造を示した立体説明図である。
【図５】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリ素子の配列構造を示した立体説明図である。
【図６】本発明の一実施例である磁性薄膜メモリの全体図である。
【図７】正方形の形状の磁性体について内部磁界の磁性体長さＬに対する依存性を示した図である。（ａ）比較例である単層膜について反磁界Ｈｄを示した図。（ｂ）比較例である２層膜について１つの層の反磁界Ｈｄからもう一つの層からの静磁界Ｈｓｔを差し引いたＨｄ−Ｈｓｔを示した図。（ｃ）本発明の磁性薄膜メモリ素子について示した図。
【図８】面内方向の漏洩磁界Ｈｎの磁性体側面からの距離ｄに対する依存性を示したものである。（ａ）比較例である単層膜について反磁界Ｈｄを示した図。（ｂ）比較例である２層膜について１つの層の反磁界Ｈｄからもう一つの層からの静磁界Ｈｓｔを差し引いたＨｄ−Ｈｓｔを示した図。（ｃ）本発明の磁性薄膜メモリ素子について示した図。
【図９】比較例の磁性薄膜メモリ素子の構造断面説明図である。（ａ）単層磁性膜の磁化状態を示した図。（ｂ）２層磁性膜の状態を示した図。
【図１０】比較例の従来技術である反平行磁化状態の２層磁性膜について、キャンセルできない反磁界の大きさＨｄ−Ｈｓｔが２［Ｏｅ］となる磁性層の長さＬを磁性層の膜厚ｔに対して示した図。
【図１１】比較例の従来技術である反平行磁化状態の２層磁性膜について、隣接のメモリ素子から発生する磁界Ｈｎが１［Ｏｅ］となる磁性膜間の距離ｄを磁性層の膜厚ｔに対して示した図。
【図１２】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メモリを示す磁性薄膜の断面説明図である。Ｗはワード線、Ｓはセンス線、Ｉは絶縁層、ＨＭは硬質磁性膜、ＳＭは軟磁性膜、ＮＭは非磁性膜を示す。
【図１３】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メモリの記録動作を示す図である。（ａ）、（ｃ）ワード電流Ｉの時間Ｔ応答を示す図。（ｂ），（ｄ）従来の磁性薄膜メモリの磁化状態を示す図、ＩＤは電流の向き、Ｗはワード線、Ｓはセンス線、Ｉは絶縁層、ＨＭは硬質磁性膜、ＳＭは軟磁性膜、ＮＭは非磁性膜を示す。
【図１４】巨大磁気抵抗効果を用いた従来の磁性薄膜メモリの再生動作を示す図である。（ａ）、（ｃ）ワード電流Ｉの時間Ｔ応答を示す図。（ｂ），（ｄ）従来の磁性薄膜メモリの磁化状態を示す図、ＩＤは電流の向き、Ｗはワード線、Ｓはセンス線、Ｉは絶縁層、ＨＭは硬質磁性膜、ＳＭは軟磁性膜、ＮＭは非磁性膜を示す。
【符号の説明】
１ 第１磁性層
２ 第２磁性層
３ 第３磁性層
４ 非磁性層
５、５１、５２、５３ 第１ワード線
６ 第２ワード線
９、１０、１１ 駆動回路領域
１０１、１０２、１０３ メモリ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic thin film memory element that records information by the direction of magnetization and reproduces it by a magnetoresistive effect, and a magnetic thin film memory using the same.
[0002]
[Prior art]
Magnetic thin-film memory is a solid-state memory with no moving parts like semiconductor memory, but does not lose information even when the power is turned off, the number of repeated rewrites is infinite, and the risk of loss of recorded content even when radiation is incident There is an advantage compared with a semiconductor memory, for example, that there is no property. In particular, in recent years, thin-film magnetic memories using the giant magnetoresistance (GMR) effect are attracting attention because they can provide a larger output than conventional magnetic thin-film memories using the anisotropic magnetoresistance effect. .
[0003]
For example, Journal of Japan Society of Applied Magnetics VOL. 20, p22 (1996), as shown in FIG. 12, a solid-state memory having a memory element formed by stacking a plurality of components of hard magnetic film HM / nonmagnetic film NM / soft magnetic film SM / nonmagnetic film NM. Has been proposed. The memory element is provided with a sense line S bonded to a metal conductor, and a word line W insulated from the sense line S by an insulating film I. The word line current and the sense line current Information is written by the generated magnetic field.
[0004]
Specifically, as shown in FIG. 13, the current I is supplied to the word line W to generate a magnetic field in a different direction depending on the current direction ID, thereby reversing the magnetization of the hard magnetic film HM to thereby store the memory states “0”, “1”. "Is recorded. For example, as shown in FIG. 6A, a positive current is passed to generate a rightward magnetic field as shown in FIG. 5B to record “1” on the hard magnetic film HM. As shown in c), a negative current is applied to generate a leftward magnetic field as shown in FIG. 4D to record “0” on the hard magnetic film HM. As shown in FIG. 14, when reading information, a current I smaller than the recording current is passed through the word line W to cause only the magnetization reversal of the soft magnetic film SM, and the resistance change at that time is measured. If the giant magnetoresistive effect is used, the resistance value differs depending on whether the magnetization of the soft magnetic film SM and the hard magnetic film HM is parallel or antiparallel. The state can be determined.
[0005]
When a positive to negative pulse as shown in FIG. 6A is applied, the soft magnetic film turns from right to left, and for the memory state “1”, from a small resistance value as shown in FIG. It changes to a large resistance value as shown in FIG. For the memory state “0”, the resistance value changes from a large resistance value as shown in FIG. 4D to a small resistance value as shown in FIG. If the change in resistance is read in this manner, information recorded on the hard magnetic film HM can be read regardless of the magnetization state of the soft magnetic film SM after recording, and nondestructive reading is possible.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the magnetic thin film memory having the above configuration, as the bit cell area is reduced, the demagnetizing field (self-demagnetizing field) generated inside the magnetic layer cannot be ignored, and the magnetization direction of the magnetic layer for recording and holding is determined in one direction. It becomes unstable. Therefore, the magnetic thin film memory having the above-described structure has a drawback that the bit cell is miniaturized and information cannot be stored, and high integration is impossible.
[0007]
In view of these points, it is an object of the present invention to provide a magnetic thin film memory that eliminates a demagnetizing field of a magnetic thin film that becomes a problem when miniaturizing a bit cell and enables high integration.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a recording and reproducing method for a magnetic thin film memory that realizes more stable recording and reproduction, realizes reproduction with a small manufacturing margin of a nonmagnetic layer, a short reproduction time, and little noise.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a first magnetic layer having a low magnetic coercive force and having a low magnetic coercive force in one direction in the film plane is aligned on the substrate in parallel or antiparallel to the magnetic alignment of the first magnetic layer.Than the first magnetic layerA second magnetic layer having a high coercive force, and a nonmagnetic layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer, and a laminated structure from the first magnetic layer to the second magnetic layer; When the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer are parallel, a low resistance value is exhibited.Compared to the parallel stateA magnetic thin film memory element using a magnetoresistive element exhibiting a high resistance value, being in contact with the first magnetic layer and the second magnetic layer so as to surround the nonmagnetic layer together with the first magnetic layer and the second magnetic layer. When the external magnetic field is zero, the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer indicate antiparallel states, and the first magnetic layer, the second magnetic layer, and the second magnetic layer are provided. The present invention relates to a magnetic thin film memory element characterized in that a closed magnetic circuit surrounding this nonmagnetic layer is constituted by three magnetic layers.
[0010]
The substrate used in the present invention is not particularly limited, but if a silicon substrate is used, semiconductor elements such as switching elements, sense circuits, drivers, and amplifiers necessary for memory operation are formed on the same substrate as the magnetic thin film element of the present invention. can do.
[0011]
The third magnetic layer is preferably provided in contact with side surfaces of the first magnetic layer and the second magnetic layer.
[0012]
The third magnetic layer may be provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer and at both ends of the nonmagnetic layer, and in this case, the entire third magnetic layer may be provided. The length of is preferably 1/3 or less of the length of the nonmagnetic layer.
[0013]
In the magnetic thin film memory element of the present invention, the relationship between the length L (μm) of the first magnetic layer and the second magnetic layer and the film thickness t (μm) of the magnetic layer can be expressed by (Equation 1). preferable.
[0014]
(Formula 1) L <30 × t
Also, when a plurality of the magnetic thin film elements are arranged, the relationship between the distance d (μm) between the second magnetic layers of adjacent magnetic thin film elements and the film thickness t (μm) of the first magnetic layer and the second magnetic layer Is preferably represented by (Formula 2).
[0015]
(Formula 2) d <3.38 × t^0.68
The magnetic anisotropy and coercivity of the third magnetic layer are preferably smaller than the magnetic anisotropy and coercivity of the first magnetic layer and the second magnetic layer.
[0016]
The material of the third magnetic layer is preferably a metal film containing Ni and Fe as main components.
[0017]
In addition, as a material of the third magnetic layer,GdFe andIt is also preferable that the metal film includes at least one kind of alloy selected from the group consisting of TbFe.
[0018]
Further, the third magnetic layer is preferably made of an insulating material.
[0019]
The coercive force of the first magnetic layer is preferably less than half of the coercive force of the second magnetic layer, and the coercive force of the second magnetic layer is 5 [Oe] or more and 50 [Oe] or less. In this case, the coercive force of the first magnetic layer is preferably 2 [Oe] or more and 25 [Oe] or less.
[0020]
It is preferable that the ratio of the length and the width of the first magnetic layer and the second magnetic layer is 2 or more, and the third magnetic layer is provided in the length direction.
[0021]
The first magnetic layer is preferably made of a metal film having at least one selected from the group consisting of Ni, Fe and Co as a constituent component.
[0022]
The second magnetic layer is preferably made of a metal film containing Fe and / or Co as main components.
[0023]
The first example of the magnetic thin film memory of the present invention is characterized in that a magnetoresistive effect is generated by spin-dependent tunneling. In this case, the nonmagnetic layer is AlO._x, AlN_x, SiO_x, SiN_xAnd NiO_xPreferably, the nonmagnetic layer has a thickness of 4 angstroms or more and 25 angstroms or less. The film thicknesses of the first magnetic layer and the second magnetic layer are preferably 20 angstroms or more, more preferably 80 angstroms or more, preferably 5000 angstroms or less, more preferably 1000 angstroms or less.
[0024]
A second example of the magnetic thin film memory of the present invention is characterized in that a magnetoresistive effect is generated by spin-dependent scattering. In this case, it is preferable to use a metal layer which is a good conductor for the nonmagnetic layer, and it is particularly preferable to use Cu as a constituent component. The film thickness of the nonmagnetic layer is preferably 5 angstroms or more and 60 angstroms or less. The film thicknesses of the first magnetic layer and the second magnetic layer are preferably 20 angstroms or more and 200 angstroms or less.
[0025]
Preferably, a magnetic layer containing Co as a main component is provided between the first magnetic layer and the nonmagnetic layer, between the second magnetic layer and the nonmagnetic layer, or both.
[0026]
In the magnetic thin film element, the first magnetic layer and the second magnetic layer may be laminated not less than 2 times and not more than 30 times with the nonmagnetic layer interposed therebetween.
[0027]
The magnetic thin film memory of the present invention includes a plurality of the above magnetic thin film memory elements arranged in a matrix and a second magnetic layer (or first magnetic layer) of the plurality of magnetic thin film memory elements arranged in the vertical (or horizontal direction). And a second word line connected to the first magnetic layer (or the second magnetic layer) of the plurality of magnetic thin film memory elements arranged in a direction crossing the first word line. Each magnetic thin film memory element is sandwiched between the first word line and the second word line.
[0028]
When recording is performed in the magnetic thin film memory of the present invention, a current is applied to the first word line and the second word line, the magnetization direction of the second magnetic layer is determined by a combined magnetic field generated by the current, and the current of the word line is supplied. The state of “0” and “1” is recorded by changing the direction. When reproducing, a resistance change caused by reversing the magnetization direction of only the first magnetic layer of the memory element due to a magnetic field generated by a word current during reproduction is used. The magnetic field generated by the word current is larger than the reversal magnetic field of the first magnetic layer and smaller than the reversal magnetic field of the second magnetic layer.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the magnetic thin film memory element of the present invention, since the magnetic film involved in recording forms a closed magnetic path during storage, it is possible to eliminate the adverse effect of the demagnetizing field and to stably store the magnetization information. Therefore, the cell width of 1 bit can be reduced, and a magnetic thin film memory with a high degree of integration can be realized.
[0030]
In addition, since the leakage magnetic field does not leak into the adjacent cell, information can be recorded and reproduced more stably.
[0031]
Further, since the reproduction can be performed with one pulse, the access time can be shortened.
[0032]
Further, it is possible to widen the manufacturing margin of the nonmagnetic layer, and it is possible to suppress variation in resistance during reproduction and improve S / N.
[0033]
[Configuration of magnetic thin film memory element]
Next, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. 1 and 2 are explanatory views showing an example of the magnetic thin film memory element of the present invention. In FIG. 1A, 1 is a first magnetic layer, 2 is a second magnetic layer, 3 is a third magnetic layer, and 4 is a nonmagnetic layer. The arrows indicate the main magnetization directions in each magnetic layer. FIG. 1B shows in more detail the magnetization state of the memory element configured as shown in FIG. FIG. 1C shows the magnetization state of the memory element configured as shown in FIG. 1A from the upper surface on the first magnetic layer side.
[0034]
As shown in FIG. 1, a magnetoresistive thin film element according to the present invention includes a first magnetic layer 1 and a second magnetic layer 2 having a magnetization direction in one direction within a film surface, which are laminated via a nonmagnetic layer. The third magnetic layer 3 is provided on the side surfaces of the first magnetic layer and the second magnetic layer so that the first magnetic layer, the second magnetic layer, and the third magnetic layer surround the nonmagnetic layer as a whole. Has been placed.
[0035]
When the external magnetic field is zero, the magnetization of the first magnetic layer and the magnetization of the second magnetic layer are antiparallel and have a closed magnetic circuit configuration via the third magnetic layer.
[0036]
FIG. 1A shows the main directions of the magnetization directions of the respective layers. Specifically, the magnetization of the third magnetic layer bends gently as shown in FIG. It is made and a stable energy state is realized. It is preferable that the product of the magnetic flux density and the cross-sectional area is constant throughout the first, second, and third magnetic layers because a complete closed magnetic circuit can be formed. As shown in FIG. 1C, the magnetization of the first magnetic layer is uniformly oriented in one direction. Further, the magnetization state of the second magnetic layer is also uniformly oriented in one direction as in FIG. 1C except that the magnetization direction is reversed, and a stable magnetization state is realized. .
[0037]
Since the third magnetic layer bears a large curvature of the annular loop, the third magnetic layer has lower magnetic anisotropy and coercive force than those of the first magnetic layer and the second magnetic layer, and has a magnetic permeability. A material that is high and can easily take an arbitrary magnetization direction is preferable. It is also preferable to select a material having a small domain wall energy for the third magnetic layer in order to suppress an increase in domain wall energy that occurs when the spin curves.
[0038]
The material of the third magnetic layer is preferably a magnetic material having a small magnetostriction constant and magnetic anisotropy and a smaller coercive force than the first magnetic layer and the second magnetic layer. Examples of such a metal film include Ni and Fe as main components, and specific examples include NiFe and NiFeCo.
Further, it is also preferable to use a perpendicular magnetization film as the material of the third magnetic layer, and a metal film containing at least one alloy selected from the group consisting of GdFe, NdFe, and TbFe is used. As this alloy,Gd _x Fe _100-x andTb_xFe_100-xEtc. For these perpendicular magnetization films, x is preferably 10 to 35 in terms of elemental composition. These alloys can be used by further mixing an additive element such as Co.
[0039]
In FIG. 1, the third magnetic layer is disposed so as to be in contact with the side surfaces of the first magnetic layer, the nonmagnetic layer, and the second magnetic layer. However, as shown in FIG. The magnetic layer 3 may be disposed between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 2 so as to replace a part of the nonmagnetic layer 4. When the magnetization state of the configuration of FIG. 2A is shown in detail, a closed magnetic circuit is formed as shown in FIG. 2B. In this case, the portion where the curvature of the annular loop of magnetization is large is the first magnetic layer and the second magnetic layer. It exists in the magnetic layer. When the first magnetic layer is viewed from above, as shown in FIG. 2C, the magnetization of the first magnetic layer is uniformly oriented in one direction even in the element of this configuration. In addition, the magnetization state of the second magnetic layer is also uniformly oriented in one direction as in FIG. 2C except that the magnetization direction is reversed, and a stable magnetization state is realized.
[0040]
In the case of the configuration of FIG. 2, since the magnetoresistive effect is reduced if the occupation range of the third magnetic layer 3 is made too large, the total length of the third magnetic layer is 3 with respect to the length of the nonmagnetic layer. It is preferable to make it within 1 / min. More preferably, it is 1/4 or less. In the case of the element having this configuration, since the third magnetic layer is a part mainly responsible for the perpendicular magnetization region in the closed magnetic path, it is more preferable to use a material having a large perpendicular magnetization component.
[0041]
In the above description, the memory element having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 is shown. However, a configuration having both of them may be used, and the first magnetic layer and the second magnetic layer are generally formed in a ring-shaped magnetization loop via the third magnetic layer. What is necessary is just to form in the form in which is formed.
[0042]
[First Embodiment]
In the first embodiment of the magnetic thin film memory of the present invention, a magnetic thin film memory element that produces a magnetoresistance effect by spin-dependent tunneling is used. The magnetoresistance effect by this spin tunneling uses, for example, a thin insulating layer as the nonmagnetic layer in the structure of the first magnetic layer / nonmagnetic layer / second magnetic layer shown in FIG. Then, when a current is passed perpendicularly to the film surface during reproduction, an electron tunneling phenomenon occurs from the first magnetic layer to the second magnetic layer.
[0043]
In the spin-dependent tunneling type magnetic thin film memory element used in the present invention, the conduction electrons cause spin polarization in the ferromagnetic metal, so the upward spin and the downward spin have different electronic states on the Fermi surface. When a ferromagnetic tunnel junction consisting of a ferromagnet, an insulator, and a ferromagnet is made using a simple ferromagnet, the conduction electrons tunnel while maintaining their spin. Probability changes and appears as a change in tunnel resistance. Accordingly, the resistance is small when the magnetizations of the first magnetic layer and the second magnetic layer are parallel, and the resistance is large when the magnetizations of the first magnetic layer and the second magnetic layer are antiparallel.
[0044]
The larger the difference in the state density of the upward spin and the downward spin, the greater the resistance value, and a larger reproduction signal can be obtained. Therefore, a magnetic material having a high spin polarizability is used for the first magnetic layer and the second magnetic layer. preferable. Specifically, it is preferably made of a metal film having at least one selected from the group consisting of Ni, Fe and Co as a constituent component. Specific examples include Fe, Co, FeCo, NiFe, NiFeCo, and the like. The elemental composition of NiFe is Ni_xFe_100-xX is preferably 0 or more and 82 or less. More specifically, Fe, Co, Ni₇₂Fe₂₈, Ni₅₁Fe₄₉, Ni₄₂Fe₅₈, Ni_{twenty five}Fe₇₅, Ni₉Fe₉₁Etc. In particular, those containing Fe with a large amount of polarization of the upper and lower spins on the Fermi surface are preferred, and those containing Co as the second component are more preferred.
[0045]
The first magnetic layer forms an annular loop with the second magnetic layer, and is provided for reading out the magnetization information stored in the second magnetic layer using the giant magnetoresistance effect by the spin tunnel. The first magnetic layer has a coercive force lower than that of the second magnetic layer, and a material is selected so that only the first magnetic layer is inverted during reproduction and an annular loop is easily formed with the second magnetic layer during storage.
[0046]
Therefore, the material for forming the first magnetic film is preferably a soft magnetic material containing Ni, more specifically, an alloy film containing NiFe or NiFeCo, among the above-described compositions. The elemental composition of NiFe is Ni_xFe_100-xX is preferably 30 or more and 82 or less. The elemental composition of NiFeCo is Ni_x(Fe_100-yCo_y)_100-xX is preferably from 30 to 82, and y is preferably from 0 to 90.
[0047]
The thickness of the first magnetic layer is preferably 20 angstroms or more, and more preferably 80 angstroms or more because if the film thickness is too thin, the resistance value of the cell becomes small and a reproduction signal output may not be sufficiently obtained. In the case of using the CPP (Current Perpendicular to the Plane Plane) -MR (Magneto-Resistance) effect in which current flows perpendicularly to the film surface during reproduction, the distance that the spin direction can be preserved, that is, the spin diffusion length is important. It becomes a factor. Therefore, the thickness of the first magnetic layer is preferably made thinner than the spin diffusion length, and if it is too thick, there is a problem that the resistance value of the cell becomes too large. Therefore, it is preferably 5000 angstroms or less, more preferably 1000 angstroms or less. .
[0048]
The second magnetic layer is provided mainly for the purpose of preserving magnetization information, and the direction of magnetization is determined according to information of “0” and “1”. Like the first magnetic layer, the second magnetic layer needs to generate a giant magnetoresistive effect efficiently and be able to stably store the magnetization state. The second magnetic layer has a higher coercive force than the first magnetic layer. For this reason, the second magnetic layer is preferably composed of a metal film having Fe and / or Co as the main component, among the above-mentioned compositions. For example, magnetic films such as Fe, FeCo, and Co can be used.
[0049]
Further, an additive element such as Pt may be added to the second magnetic layer for the purpose of controlling the coercive force and improving the corrosion resistance. When Fe is added to Co, the coercive force is reduced, and when Pt is added, the coercive force is increased._100-xyFe_xPt_yThe coercive force may be controlled by adjusting the elemental composition x and y. Further, since the coercive force can be increased by increasing the substrate temperature during film formation, the substrate temperature during film formation may be adjusted as another method for controlling the coercive force. This method may be combined with the method for adjusting the composition of the ferromagnetic thin film described above.
[0050]
Also, the coercivity of the first magnetic layer can be adjusted by the film composition and the substrate temperature at the time of film formation, as described above.
[0051]
If the film thickness of the second magnetic layer is too thin, the memory retention performance deteriorates, the resistance value of the cell where the reproduction signal output decreases, and the magnetization cannot be retained. Furthermore, 80 angstroms or more is preferable. When the CPP-MR effect is used, the distance that can be moved while preserving the spin direction, that is, the spin diffusion length is an important factor. Therefore, the thickness of the second magnetic layer is preferably thinner than the spin diffusion length. If it is too thick, the resistance value of the cell becomes too large, and the distance from the word electrode is too far away to cause magnetization reversal. Since there is a problem, it is preferably 5000 angstroms or less, more preferably 1000 angstroms or less.
[0052]
The nonmagnetic layer must be nonmagnetic for electrons to tunnel while retaining spin. The nonmagnetic layer in this embodiment is a layer that insulates between the first magnetic layer and the second magnetic layer, and even if the entire layer is formed of an insulating material, a part of the layer is insulated as a multilayer structure. It can also be a layer. In particular, the magnetoresistive effect can be further enhanced by partially forming an insulating layer and minimizing its thickness.
[0053]
As an insulating material used for the nonmagnetic layer, AlO_x, AlN_x, SiO_x, SiN_xAnd NiO_xEtc. Among these, Al₂O_ThreeIs preferable because it is highly insulating and dense. When the insulating material is an oxide film, for example, an Al film is formed, and a part thereof is oxidized in the air to form Al film.₂O_ThreeA layer can be formed.
[0054]
The nonmagnetic layer is a uniform layer of about several tens of angstroms, and the film thickness is preferably 4 angstroms or more and 25 angstroms or less. More preferably, it is 6 angstroms or more and 18 angstroms.
[0055]
[Second Embodiment]
The second embodiment of the magnetic thin film memory of the present invention uses a magnetic thin film memory element that produces a magnetoresistive effect by spin-dependent scattering. For the magnetoresistive effect due to the spin-dependent scattering, for example, as shown in FIG. 1 or FIG. 2, a metal layer which is a good conductor is used for the nonmagnetic layer in the structure of the first magnetic layer / nonmagnetic layer / second magnetic layer. The magnetoresistive effect due to the spin-dependent scattering is derived from the fact that conduction electron scattering varies greatly depending on the spin. That is, conduction electrons having a spin in the same direction as the magnetization are not scattered so much, and the resistance becomes small. On the other hand, each magnetic layer via the nonmagnetic layer has an antiferromagnetic arrangement.IfSince the conduction electrons having any spin are equally scattered by the magnetic atoms having spins in the opposite directions, the resistance value is larger than that in the above case. Then, the CPP-MR effect is used in which a current flows perpendicularly to the film surface during reproduction. This CPP-MR increases the probability of a large resistance change rate because the probability of conduction electrons crossing the interface increases compared to the CIP (Current Implant to the Plane Plane) -MR effect in which current flows parallel to the film surface. Can do.
[0056]
The characteristics of the first magnetic layer, the second magnetic layer, and the nonmagnetic layer in this case will be described. The first magnetic layer forms an annular loop with the second magnetic layer and is provided for reading out the magnetization information stored in the second magnetic layer using the giant magnetoresistance effect.
[0057]
The first magnetic layer is preferably made of a metal film containing at least one selected from the group consisting of Ni, Fe and Co as a constituent component. Examples of the metal (alloy) include NiFe, NiFeCo, FeCo, and CoFeB. The elemental composition of NiFe is Ni_xFe_100-xX is preferably 35 or more and 86 or less. The elemental composition of NiFeCo is Ni_x(Fe_100-yCo_y)_100-xX is preferably from 10 to 70, y is preferably from 30 to 90, and y is preferably from 60 to 85.
[0058]
The first magnetic layer is preferably made of an amorphous alloy containing Co and Fe as main components. Specifically, Co₈₄Fe₉B₇, Co₇₂Fe₈B₂₀An amorphous magnetic material such as CoFeB having a composition such as
[0059]
The second magnetic layer is provided mainly for the purpose of preserving magnetization information, and the magnetization direction is determined according to information of “0” and “1”. Similar to the first magnetic layer, the second magnetic layer is required to generate a giant magnetoresistive effect efficiently and to stably store the magnetization state.
[0060]
The second magnetic layer is preferably made of a metal film containing Fe and / or Co as main components. For example, a metal (alloy) such as Fe, FeCo, or Co can be used. Further, an additive element such as Pt may be added. When Fe is added to Co, the coercive force is reduced, and when Pt is added, the coercive force is increased._100-xyFe_xPt_yThe coercive force may be controlled by adjusting the elemental composition x and y.
[0061]
The film thickness of the first magnetic layer needs to be set so that the scattering type giant magnetoresistive effect is efficiently generated. Specifically, when the film thickness of the first magnetic layer becomes significantly larger than the mean free path of electrons, the effect is reduced due to phonon scattering, so that it is preferably at least 200 angstroms or less. More preferably, it is 150 angstroms or less. However, if it is too thin, the resistance value of the cell becomes small and the reproduction signal output decreases, and there is a case where the magnetization cannot be maintained. Therefore, it is preferably 20 angstroms or more, more preferably 80 angstroms or more.
[0062]
The film thickness of the second magnetic layer is also set to be at least 200 angstroms or less because the scattering type giant magnetoresistance effect is efficiently generated as in the case of the first magnetic layer. More preferably, it is 150 angstroms or less. However, if the thickness is too thin, the memory retention performance is deteriorated, and the resistance value of the cell may be reduced to reduce the reproduction signal output. Therefore, the thickness is preferably 20 angstroms or more, and more preferably 80 angstroms or more.
[0063]
In this embodiment, the nonmagnetic layer is made of a good conductor. Preferably, Cu is used as a main component because the magnetic layer and the Fermi energy level are close and the adhesion is good. Resistance is likely to occur and it is convenient to obtain a large magnetoresistance ratio. The thickness of the nonmagnetic layer is preferably 5 angstroms or more and 60 angstroms or less.
[0064]
In this embodiment, when a magnetic layer mainly composed of Co is provided between the first magnetic layer and the nonmagnetic layer, or between the second magnetic layer and the nonmagnetic layer, or both, the magnetoresistance ratio This is preferable because a higher S / N ratio can be obtained. In this case, the thickness of the layer mainly containing Co is preferably 20 angstroms or less.
[0065]
In the present invention, in order to improve the S / N ratio, {first magnetic layer / nonmagnetic layer / second magnetic layer / nonmagnetic layer} may be used as one unit, and this unit may be laminated. The larger the number of sets to be laminated, the larger the MR ratio is preferable. However, if the number of sets to be laminated is too large, problems such as turbulence tend to occur at the interface between the magnetic layer and the nonmagnetic layer. It is preferable to set it to 40 sets or less, more preferably about 3 to 20 sets.
[0066]
[Memory configuration]
Next, the arrangement structure of the memory cells in the case where a solid memory is produced by arranging a large number of the magnetic thin film memory elements described above will be described in detail.
[0067]
FIG. 6 is a top view of an example of the magnetic thin film memory of the present invention. The memory cell 17 is one storage unit having one magnetic thin film memory element. In this figure, only a part of the large number of memory cells 17 is shown, and most other parts are omitted.
[0068]
The magnetic thin film memory of the present invention has a first word line arranged in the vertical or horizontal direction and a second word line arranged in a direction intersecting the first word line, and the magnetic thin film memory element in the intersecting portion. Are arranged. The magnetic thin film memory elements are sandwiched between the first word line and the second word line from above and below, and are connected in parallel in a matrix.
[0069]
The first word line and the second word line are provided for reproduction simultaneously with recording. Drive circuit regions 9, 10, and 11 are provided at both ends of each first word line and each second word line. In this region, a decoder, a driver, and the like for selectively driving each word line and each sense line The semiconductor element is provided.
[0070]
As a material for the word line used in the present invention, a good conductor having a conductivity higher than that of the first, second and third magnetic layers is used. For example, aluminum, copper, tungsten, a mixture thereof, a mixture of these with silicon, or the like can be given.
[0071]
FIG. 3 is a three-dimensionally enlarged view of FIG. As shown in the figure, the memory elements 101, 102 and 103 are arranged in parallel, and although not shown between the memory elements, an insulator is provided to prevent the memory elements from being electrically connected to each other. . The first word lines 51, 52, 53 and the second word line 6 are provided orthogonally across the memory element.
[0072]
FIG. 4 shows another example of the arrangement structure of the magnetic thin film memory of the present invention. In this configuration, the third magnetic layer is provided so as to fill the space between the memory cells, and the third magnetic layer also serves to separate elements from other memory elements, which is preferable because the structure is simplified. . In this case, the third magnetic layer needs to be formed of an insulating magnetic material. For example, it is preferable to use an oxide magnetic material. Specifically, MFe₂O_FourIt is preferable to use Ni, Co, Mg, Mn or the like as the element M because the resistivity is high. In particular, NiFe₂O_FourIs preferred because of its highest resistivity.
[0073]
Another arrangement structure example of the magnetic thin film memory of the present invention is shown in FIG. In this case, the memory element has the structure shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 3, the memory elements are not shown between the memory elements, but an insulator is provided to prevent the memory elements from being electrically connected.
[0074]
Although not shown in FIGS. 3, 4, and 5, a switching element may be provided on one side or both sides of each magnetic thin film memory element in order to prevent crosstalk between the memory elements. When one specific memory cell can be selectively selected by the switching element, the first word line and the second word line may be positioned in parallel without being orthogonal to each other.
[0075]
In addition, when a semiconductor substrate such as silicon is used as the substrate, it is not always necessary to separately provide the second word line with a good conductor or the like, and the current can be obtained by a known method such as adding an impurity element in a pattern to the semiconductor substrate. Can be used as the second word line.
[0076]
Unlike the conventional magnetic thin film memory, the magnetic thin film memory of the present invention can maintain the preservation of magnetization information even if the cell size is reduced. The effect of the present invention will be described below in comparison with a conventional example.
[0077]
The degree to which the preservability of magnetization information deteriorates depends on the magnitude of the demagnetizing field generated inside the magnetic layer, and the preservability of magnetization deteriorates as the demagnetizing field increases. The magnitude of the demagnetizing field can be roughly estimated by assuming that the magnetic film is a disk-shaped ellipsoid.
[0078]
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the length L of the magnetic layer and the magnitude of the demagnetizing field.
[0079]
FIG. 7A shows the demagnetizing field Hd with respect to the length L of the magnetic layer when the single-layer magnetic film 111 is used as the recording layer as shown in FIG. 9A as a comparative example. . Here, the width of the magnetic layer is assumed to be equal to the length, and the saturation magnetization is a typical permalloy (Ni₈₀Fe₂₀) Of 800 emu / cc, and the film thickness of the magnetic layer was determined with three film thicknesses of 100 angstrom, 200 angstrom, and 300 angstrom. The demagnetizing field decreases as the film thickness of the magnetic layer decreases, but it can be seen that even at a magnetic layer thickness of 100 Å, the magnetic layer length L is 1 μm or less and is a very large value of approximately 100 [Oe] or more.
[0080]
In FIG. 7B, the same calculation was performed for the two-layer film shown in FIG. 9B as another comparative example. In this case as well, the width of the magnetic layer is assumed to be equal to the length, the saturation magnetization is 800 emu / cc, and the thicknesses of the magnetic layer 121 and the magnetic layer 122 are assumed to be the same, and three kinds of film thicknesses of 100 angstrom, 200 angstrom, and 300 angstrom. Asked. The film thickness of the nonmagnetic layer 123 was 10 angstroms. In the case of this two-layer film, the demagnetizing field generated in one magnetic layer 121 is relaxed by the static magnetic field Hst from the other layer 122, so the magnetic field Hd−Hst applied effectively inside the magnetic layer was obtained. Here, Hst was assumed that the magnetic charge was present on the end face without spin curling. Actually, the spin curling causes Hst to be smaller than the obtained value, but it can be seen that Hd-Hst increases rapidly as the length L of the magnetic film decreases.
[0081]
The coercive force of the second magnetic layer is preferably 5 [Oe] or more and 50 [Oe] or less, more preferably 10 [Oe] to 30 [Oe], because of the restriction on the magnitude of the word current. Good. When the size of Hd-Hst is 2 [Oe] or more, it becomes larger than about one-tenth of the coercive force, and stable magnetization preservation is difficult. The length L of the magnetic layer where Hd-Hst is 2 [Oe] is 0.3 μm when the film thickness of the magnetic layer is 100 Å, 0.6 μm when it is 200 Å, and 0.9 μm when it is 300 Å. For this reason, when the anti-parallel magnetization state of the conventional two-layer magnetic film is used, stable storage of magnetization can be achieved in a memory cell having a magnetic material length of 0.3 μm or less when the magnetic layer thickness is 100 Å or more. In addition, it is difficult to maintain stable magnetization in a memory cell with a magnetic layer length of 0.6 μm or less when the magnetic layer thickness is 200 Å or more, and with a memory cell of 0.9 μm or less when the magnetic layer thickness is 300 Å or more. It turns out to be difficult.
[0082]
When the length L (μm) of the magnetic layer where Hd−Hst is 2 [Oe] is plotted against the thickness t (μm) of the magnetic layer, FIG. 10 is obtained, and the relationship between L and t is expressed by (Expression 1). Is done.
[0083]
(Formula 1) L (μm) = 30 × t (μm)
On the other hand, FIG. 7C shows a demagnetizing field (magnetic field) of a magnetic film having a closed magnetic circuit configuration according to the present invention in which the third magnetic layer is provided on the conventional two-layer magnetic film shown in FIG. The magnetic field Hin generated inside the body is shown, but the demagnetizing field is 0 regardless of the thickness of the magnetic layer and the length L of the magnetic film, and the magnitude of the demagnetizing field that hinders the orientation of magnetization is effective. Is suppressed. Therefore, in the present invention, the magnetization is stably stored even when the relationship between the thickness t (μm) of the magnetic layer and the length L (μm) of the magnetic layer is in the condition of (Equation 2).
[0084]
(Formula 2) L (μm) <30 × t (μm)
That is, the magnetic thin film memory element of the present invention can stably store magnetization information even when the memory cell is miniaturized and highly integrated.
[0085]
Further, in the conventional magnetic thin film as a comparative example, when the shape is the same in width and length, for example, a square shape or a circular shape when viewed from above, the magnetic orientation is in the in-plane direction. It was difficult to produce sufficient magnetic anisotropy. Therefore, in the conventional magnetic thin film memory, the ratio of length to width is set to 2 to 3 times or more so as to be magnetized and oriented by shape anisotropy. However, even in this case, since the spin is disturbed as described above, there is a problem that the so-called superparamagnetism phenomenon that the magnetism disappears near room temperature easily occurs and the preservation of magnetization becomes unstable. It was.
[0086]
On the other hand, in the magnetic thin film memory of the present invention, a relatively large anisotropy is generated by forming an annular loop even when the magnetic thin film has a square shape. For this reason, even if the memory cells are square, information stability can be ensured, and as a result, the degree of integration can be dramatically increased. When there is a possibility of using the magnetic thin film memory of the present invention under relatively high temperature conditions, the ratio of length to width is made larger than 1 to increase the shape anisotropy and raise the storage stability. You may do it. In this case, the effect of shape anisotropy becomes clear when the ratio of length to width is 2 or more. For this reason, the ratio of the length and width of the magnetic thin film memory element is preferably 2 or more. In this case, the third magnetic layer is preferably provided in the length direction.
[0087]
As another method of inducing magnetic anisotropy, there is a method of applying a magnetic field during film formation. This method is easy and effective. In order to do this, a magnetic field may be applied in one direction in the plane to the substrate using a permanent magnet or the like during the formation of the first magnetic layer and the second magnetic layer. The strength of the magnetic field is preferably applied by applying an external magnetic field of 10 [Oe] or more. More preferably, a magnetic field of 50 [Oe] or more is applied in one direction during film formation. In this case, the third magnetic layer is preferably provided in the direction in which the magnetic field is applied.
[0088]
Furthermore, the magnetic thin film memory element of the present invention is characterized in that no leakage magnetic field is generated outside. For this reason, it is possible to record and reproduce information more stably even if the cell size is reduced.
[0089]
This effect is shown in FIG. 8 together with a comparative example. 8A and 8B are generated on the side surfaces of adjacent memory elements when the conventional single-layer or double-layer memory elements shown in FIGS. 9A and 9B are arranged in series. The in-plane magnetic field magnitude Hn is plotted against the distance d between the magnetic films. Similarly, in FIG. 8C, in the magnetic thin film memory element of the present invention as shown in FIGS. 3 to 5, the magnitude of the magnetic field Hn in the in-plane direction generated on the side surface of the adjacent memory element is changed between the adjacent memory elements. It is plotted against the distance d between the first magnetic layer or the second magnetic layer. The lengths of the magnetic films were all 0.2 μm, and the saturation magnetization and the film thicknesses of the magnetic film and the nonmagnetic film were the same as those in the case of FIG.
[0090]
In the single-layer magnetic film as a comparative example from FIG. 8A, a magnetic field of 5 [Oe] or more is generated with a film thickness of 100 Å or more at a memory element distance d of 0.6 μm or less, and FIG. It can be seen that in the two-layer magnetic film which is another comparative example, the thickness rapidly increases according to the film thickness of the magnetic layer. As described above, the coercive force of the second magnetic layer is preferably 5 [Oe] or more and 50 [Oe] or less, more preferably about 10 [Oe] to 30 [Oe]. Since it is preferable to apply a magnetic field less than half that of the hour, it is more preferable to reverse the magnetization with a generated magnetic field of 5 [Oe] or more and 20 [Oe] or less.
[0091]
For this reason, when the magnetic field Hn generated from the adjacent memory element reaches 1 [Oe], the magnitude of the magnetic field generated from the word line is about 1/10 during recording and about 1/5 during reproduction. Therefore, it can be a major cause of malfunction during recording and playback, particularly during playback. The distance d between the magnetic films where the magnetic field Hn generated from the adjacent memory element is 1 [Oe] is 0.15 μm when the magnetic layer thickness t is 100 Å, 0.25 μm when the magnetic layer is 200 Å, and 300 Å. Sometimes 0.33 μm. Further, when the distance d (μm) between the magnetic films is plotted against the film thickness t (μm) of the magnetic layer, the relationship between d and t is expressed by the following equation. 3).
[0092]
(Formula 3) d = 3.38 × t^0.68
For this reason, when the anti-parallel magnetization state of the two-layer magnetic film, which is a conventional technique, is used, if the magnetic layer thickness is 100 angstroms or more, the magnetization d is stable when the distance d between the magnetic films is 0.15 μm or less. Storage becomes difficult, and when the magnetic layer thickness is 200 angstroms or more, the distance d between the magnetic films is 0.25 μm or less, and when the magnetic layer thickness is 300 angstroms or more, the distance d between the magnetic films is 0.33 μm. It will be understood that stable recording / reproduction is difficult in the following. Therefore, in the conventional cell structure, it is difficult to reduce the width between cells in order to increase the degree of integration, and high integration is impossible.
[0093]
On the other hand, in the magnetic thin film memory element of the present invention, as shown in FIG. 8C, the leakage magnetic field does not leak into the adjacent cells regardless of the thickness of the magnetic layer. Can be performed. Further, in the magnetic thin film memory of the present invention, even if the relationship between the thickness t (μm) of the magnetic layer and the distance d (μm) between the magnetic films is (Equation 4), the leakage magnetic field leaks to the adjacent cell. Since it is not produced, a greater effect can be obtained compared to the conventional technology.
[0094]
(Formula 4) d <3.38 × t^0.68
[Recording method]
Next, an example of a recording method using the magnetic thin film memory element of the present invention will be shown. The memory element of the present invention is provided with two electrode lines of the first word line 5 and the second word line 7 such as 51, 52, 53 as shown in FIGS. When a current is passed through each of these lines, a magnetic field is generated according to Ampere's law. Since these two electrode lines are orthogonal, the generated magnetic field is also orthogonal, and the magnetic field applied to the magnetic layer of the memory cell is the vector sum of these orthogonal magnetic fields. In this state, when a magnetic field large enough to reverse the second magnetic layer is applied by the word line current, the magnetization of the second magnetic layer is oriented in a desired direction and recording is performed. Therefore, it is possible to record only a specific cell from a large number of cells on the matrix. Whether or not magnetization can be reversed is described by an asteroid curve of the magnetic layer.
[0095]
The first word line and the second word line are electrically connected by a memory element. However, if, for example, the resistance of the memory element is set to be larger than the resistance values of the first word line and the second word line, even if a current is passed through both ends of the first word line and the second word line during recording, the memory Since the current value passing through the cell is negligibly small, the recording as described above can be performed.
[0096]
Alternatively, as described above, if the switching element is provided on one side or both sides of the memory element and a specific one memory cell is selectively selected, the information of the specific one memory element can be rewritten.
[0097]
Further, in addition to the first word line and the second word line, another word line may be provided in the same manner through these and an insulating layer to perform recording.
[0098]
The second magnetic layer preferably has a high coercive force because it is preferable to stably maintain the magnetization state. However, at the same time, in order to prevent the word line from being disconnected by electromigration and to reduce power consumption, it is preferable that the magnetization of the second magnetic layer can be reversed with a weak magnetic field generated by a small current. The second magnetic layer needs to have a low coercive force. The coercivity of the second magnetic layer is determined so as to satisfy both requirements. Specifically, the coercive force of the second magnetic layer is preferably 5 [Oe] or more and 50 [Oe] or less. More preferably, it is 10 [Oe] or more and 30 [Oe] or less.
[0099]
Further, for the purpose of controlling the coercive force, a buffer layer may be provided on the substrate and a memory element may be formed thereon. This is because the provision of the buffer layer makes it possible to suppress variations in coercive force between different memory cells and to easily control the absolute value of the coercive force. As the buffer layer, for example, an insulating material such as SiN is preferable.
[0100]
[Playback method]
Next, an example of a reproducing method using the magnetic thin film memory of the present invention will be shown.
[0101]
The resistance value of the magnetic thin film memory of the present invention is low when the magnetizations of the first magnetic layer and the second magnetic layer are parallel and high when the magnetizations are antiparallel. The magnetic thin film memory of the present invention is in a high resistance state because it is in an antiparallel magnetization state during storage.
[0102]
A first example of the reproducing method using the magnetic thin film memory element of the present invention will be described by taking, for example, the case of reading information from the memory cell 102 of FIG.
[0103]
First, a current is applied to both sides of the first word line to generate a magnetic field in the right direction of the figure, for example. The magnitude of this magnetic field is set such that only the first magnetic layer is inverted and the second magnetic layer is not inverted, so that the magnetization information stored at the time of reproduction is not erased. At this time, when the magnetization recorded in the second magnetic layer is directed to the right, the first magnetic layer is reversed from the left to the right during storage, and the magnetization directions of the first and second magnetic layers are the same. Thus, the resistance value of the memory cell becomes small. On the other hand, when the magnetization recorded in the second magnetic layer is directed to the left, the first magnetic layer remains to the right when stored, and the magnetization directions of the first magnetic layer and the second magnetic layer are antiparallel. Remains large.
[0104]
In this state, if a voltage is applied to the end of the first word line 52 and the end of the second word line 6 to pass a current through the memory cell 102 and the resistance value of the memory cell 102 is detected, the resistance value is increased. Thus, the magnetization information stored in the second recording layer can be read out.
[0105]
Next, a second example of the reproduction method will be described below.
[0106]
First, a voltage is applied to the end portion of the first word line 52 and the end portion of the second word line 6 to pass a current through the memory cell 102, and the resistance value of the memory cell 102 is detected. This resistance has a high resistance value. From this state, a current is passed through both ends of the first word line 52 to generate a magnetic field that can reverse the magnetization of the first magnetic layer, as described above. If the change in resistance at this time is measured at the end of the first word line 52 and the end of the second word line 6, the magnetization information stored in the second recording layer can be read out depending on whether or not the resistance changes. .
[0107]
In the above description, the information in the memory cell 102 is read. However, the same applies to reading out other cells.
[0108]
When the magnetization of the first magnetic layer is parallel to the second magnetic layer, the third magnetic layer is oriented in the most stable state when the magnetic field is applied. Stabilize. Further, the coercive force of the first magnetic layer needs to be smaller than the coercive force of the second magnetic layer. In order to ensure a sufficient margin of the generated magnetic field, the coercive force of the first magnetic layer is preferably less than half of the coercive force of the second magnetic layer, and more preferably less than one-third.
[0109]
In the magnetic thin film memory element of the present invention, when the magnetic field is not applied, the magnetizations of the first magnetic layer and the second magnetic layer are always opposite to each other. Therefore, the resistance values of the other memory cells not accessed are Has always been constant. Therefore, the reproducing method using the magnetoresistive element of the present invention has less noise and accuracy because there is no variation in resistance as compared with the reproducing method using the conventional magnetic thin film memory in which the magnetization state of the memory cell is not fixed. Good detection is possible.
[0110]
A pulse current is used for recording / reproduction according to the present invention. If the time width of this pulse is too long, the access speed becomes slow and the power consumption increases. If it is too short, proper recording and reproduction cannot be performed. For this reason, the time width of one pulse is preferably 1 ns to 500 μs, more preferably 4 ns to 100 ns. Also, if a large amount of current is passed, electromigration of the wiring material occurs and the risk of disconnection increases, and if it is low, good recording / reproduction may not be realized. Although the current value can be determined in consideration of the cross-sectional area of the electric wire, it is usually preferably between 10 μA and 500 mA. More preferably, it is between 50 μA and 10 mA.
[0111]
【Example】
Next, the magnetic thin film memory element of the present invention was fabricated and the operation was confirmed. Film formation and processing of the memory element were performed using a magnetron sputtering apparatus and a focus ion beam apparatus. For sputter deposition, the sputter chamber is set to 5 × 10^-FiveAfter a high vacuum of Pa, Ar gas was introduced as a sputtering gas to 0.1 Pa, and this was performed on a glass substrate.
[0112]
The first magnetic layer and the second magnetic layer were formed while applying a magnetic field of 200 [Oe] so that an easy axis of magnetization was formed in the longitudinal direction.
[0113]
First, an Al film having a thickness of 10 μm was formed as a lower electrode on the entire surface of a 1 cm square glass substrate.
[0114]
Next, as the first magnetic layer, Ni₃₀(Fe₇₀Co₃₀)₇₀A thin film (film thickness 500 angstroms) was formed. Next, an Al thin film having a thickness of 30 Å was formed on the first magnetic layer.
[0115]
Next, a small amount of oxygen is introduced into the sputtering chamber, a negative potential is applied to the substrate side, and the surface of this Al film is oxidized while performing reverse sputtering, and Al is used as an insulating layer.₂O_ThreeThe layer was formed at about 15 Å. Further thereon, a second magnetic layer is formed of Fe.₃₀Co₇₀A thin film (film thickness 500 angstroms) was formed.
[0116]
Further, as an upper electrode, an Al film was formed with a thickness of 5 μm.
[0117]
The film thickness of each layer was controlled by adjusting the sputtering power. The elemental composition ratio of the magnetic layer was adjusted by adjusting the sputtering power of each of the Ni, Fe and Co targets.
[0118]
Next, only the laminated portion including the first magnetic layer, the insulating layer, the second magnetic layer, and the upper electrode is processed to a size of 0.4 μm × 0.6 μm, and then the processed first magnetic layer, insulating layer, and first Ni as the third magnetic layer so as to contact the side surface in the length direction of the two magnetic layers₅₀Fe₅₀Was formed and processed to produce a magnetic thin film memory element having the configuration shown in FIG. The third magnetic layer had the same width as that of the first and second magnetic layers, 0.4 μm, a length of 0.6 μm, a film thickness of 1030 angstroms, and was attached to both sides of the side so as to have the same configuration as in FIG.
[0119]
Next, SiN was formed and subsequently etched by an ion beam to form a protective film around the first magnetic layer, the insulating layer, and the second magnetic layer. Thereafter, a 5 mm square Al film having a thickness of 10 μm was formed as an upper terminal electrode so as to be in contact with the upper electrode.
[0120]
Next, a Cu thin film was connected to each of the lower electrode and the upper terminal electrode using In to form a magnetic thin film memory element.
[0121]
Next, a magnetic field of 25 [Oe] was applied to the element in the left direction to record “0”. The magnetic field was applied in the in-plane direction along the length direction of the element. Next, a magnetic field 10 [Oe] in the leftward direction was generated while measuring the resistance value while passing a current of 10 μA through the electrode wire. As a result, the resistance value decreased, and the resistance value decreased when the application of the magnetic field was stopped. Returned to the original large value. When 10 [Oe] was generated in the right direction, no change was observed in the resistance value. When the same operation was performed after applying a left magnetic field 25 [Oe] in the length direction and recording “0”, no change in resistance value was observed with a weak left magnetic field. It was observed that the resistance value decreased in the magnetic field. The magnetoresistance ratio at this time was about 7%. From this experimental example, it was confirmed that the magnetic thin film memory element of the present invention operates well.
[0122]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a magnetic thin film memory that eliminates the demagnetizing field of the magnetic thin film which becomes a problem when the bit cells are miniaturized, and enables high integration.
[0123]
In addition, according to the present invention, it is possible to provide a recording / reproducing method for a magnetic thin film memory that realizes more stable recording / reproduction, realizes reproduction with less non-magnetic layer, wider production margin, shorter reproduction time, and less noise. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a structural cross-sectional explanatory view of a magnetic thin film memory element according to an embodiment of the present invention. The arrow indicates the magnetization direction.
(B) It is sectional drawing which showed in detail the magnetization state of the magnetic thin film memory element which is one Example of this invention.
(C) It is explanatory drawing which showed in detail the magnetization state of the magnetic thin film memory element which is one Example of this invention from the upper surface.
FIG. 2A is a structural cross-sectional explanatory diagram of a magnetic thin film memory element which is an embodiment of the present invention. (B) It is sectional explanatory drawing which showed in detail the magnetization state of the magnetic thin film memory element which is one Example of this invention.
(C) It is explanatory drawing which showed in detail the magnetization state of the magnetic thin film memory which is one Example of this invention from the upper surface.
FIG. 3 is a three-dimensional explanatory view showing an arrangement structure of magnetic thin film memory elements according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a three-dimensional explanatory view showing an arrangement structure of magnetic thin film memory elements according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a three-dimensional explanatory view showing an arrangement structure of magnetic thin film memory elements according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an overall view of a magnetic thin film memory according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the dependence of the internal magnetic field on the magnetic body length L for a square-shaped magnetic body. (A) The figure which showed the demagnetizing field Hd about the single layer film which is a comparative example. (B) The figure which showed Hd-Hst which deducted the static magnetic field Hst from another layer from the demagnetizing field Hd of one layer about the two-layer film which is a comparative example. (C) The figure shown about the magnetic thin film memory element of this invention.
FIG. 8 shows the dependence of the leakage magnetic field Hn in the in-plane direction on the distance d from the side surface of the magnetic material. (A) The figure which showed the demagnetizing field Hd about the single layer film which is a comparative example. (B) The figure which showed Hd-Hst which deducted the static magnetic field Hst from another layer from the demagnetizing field Hd of one layer about the two-layer film which is a comparative example. (C) The figure shown about the magnetic thin film memory element of this invention.
FIG. 9 is a structural cross-sectional explanatory view of a magnetic thin film memory element of a comparative example. (A) The figure which showed the magnetization state of the single layer magnetic film. (B) The figure which showed the state of the two-layer magnetic film.
FIG. 10 shows the magnetic layer length L of the magnetic layer having a demagnetizing field magnitude Hd−Hst of 2 [Oe] that cannot be canceled in the anti-parallel magnetization state two-layer magnetic film of the comparative example. The figure shown with respect to thickness t.
FIG. 11 shows the distance d between the magnetic films in which the magnetic field Hn generated from the adjacent memory element is 1 [Oe] in the anti-parallel magnetization two-layer magnetic film as the prior art of the comparative example. The figure shown with respect to t.
FIG. 12 is a cross-sectional explanatory view of a magnetic thin film showing a conventional magnetic thin film memory using a giant magnetoresistive effect. W is a word line, S is a sense line, I is an insulating layer, HM is a hard magnetic film, SM is a soft magnetic film, and NM is a nonmagnetic film.
FIG. 13 is a diagram showing a recording operation of a conventional magnetic thin film memory using a giant magnetoresistance effect. (A), (c) The figure which shows the time T response of the word current I. FIG. (B), (d) Figures showing the magnetization state of a conventional magnetic thin film memory, ID is the direction of current, W is a word line, S is a sense line, I is an insulating layer, HM is a hard magnetic film, and SM is soft magnetic A film NM represents a nonmagnetic film.
FIG. 14 is a diagram showing a reproducing operation of a conventional magnetic thin film memory using a giant magnetoresistance effect. (A), (c) The figure which shows the time T response of the word current I. FIG. (B), (d) Figures showing the magnetization state of a conventional magnetic thin film memory, ID is the direction of current, W is a word line, S is a sense line, I is an insulating layer, HM is a hard magnetic film, and SM is soft magnetic A film NM represents a nonmagnetic film.
[Explanation of symbols]
1 First magnetic layer
2 Second magnetic layer
3 Third magnetic layer
4 Nonmagnetic layer
5, 51, 52, 53 First word line
6 Second word line
9, 10, 11 Drive circuit area
101, 102, 103 memory elements

Claims (10)

基板上に、膜面内の一方向に磁化配向し低い保磁力を有する第１磁性層と、前記第１磁性層の磁化配向と平行または反平行に磁化配向し前記第１磁性層よりも高い保磁力を有する第２磁性層と、該第１磁性層と第２磁性層との層間に設けられた非磁性層とを有し、前記第１磁性層から第２磁性層までの積層構造の層方向の電気抵抗が、前記第１磁性層の磁化方向と第２磁性層の磁化方向が平行のときは低い抵抗値を示し、反平行のときは前記平行状態に比較して高い抵抗値を示す磁気抵抗素子を用いた磁性薄膜メモリ素子であって、前記第１磁性層および第２磁性層と共に前記非磁性層を囲むように前記第１磁性層および第２磁性層に接して第３磁性層が設けられ、外部磁界が０のときには前記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向が反平行状態を示して前記第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層によりこの非磁性層を囲む閉磁路を構成し、前記第３磁性層が、絶縁性材料からなることを特徴とする磁性薄膜メモリ素子。  A first magnetic layer having a low magnetic coercive force with a magnetic orientation in one direction within the film surface on the substrate, and a magnetic orientation that is parallel or antiparallel to the magnetization orientation of the first magnetic layer and higher than the first magnetic layer A second magnetic layer having a coercive force; and a nonmagnetic layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer, and having a laminated structure from the first magnetic layer to the second magnetic layer. The electrical resistance in the layer direction shows a low resistance value when the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer are parallel, and when the anti-parallel, the resistance value is high compared to the parallel state. A magnetic thin film memory device using the magnetoresistive element shown in FIG. 1, wherein the third magnetic layer is in contact with the first magnetic layer and the second magnetic layer so as to surround the nonmagnetic layer together with the first magnetic layer and the second magnetic layer. When the external magnetic field is zero, the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization of the second magnetic layer are provided. The first magnetic layer, the second magnetic layer, and the third magnetic layer form a closed magnetic path surrounding the nonmagnetic layer, and the third magnetic layer is made of an insulating material. A magnetic thin film memory device. 前記第１磁性層および第２磁性層の長さＬ（μｍ）（磁化方向）と第１磁性層および第２磁性層の膜厚ｔ（μｍ）との関係が（式１）で表されることを特徴とする請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子。
（式１） Ｌ＜３０×ｔThe relationship between the length L (μm) (magnetization direction) of the first magnetic layer and the second magnetic layer and the film thickness t (μm) of the first magnetic layer and the second magnetic layer is expressed by (Formula 1). The magnetic thin film memory element according to claim 1.
(Formula 1) L <30 × t 請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子を複数個配列したときに、隣接する磁性薄膜素子の第２磁性層間の距離ｄ（μｍ）と第１磁性層および第２磁性層の膜厚ｔ（μｍ）との関係が（式２）で表されることを特徴とする磁性薄膜メモリ。
（式２） ｄ＜３．３８×ｔ^0.68 When a plurality of magnetic thin film memory elements according to claim 1 are arranged, the distance d (μm) between the second magnetic layers of adjacent magnetic thin film elements and the film thickness t (μm) of the first magnetic layer and the second magnetic layer. it characterized by being represented by the relationship between the (equation 2) magnetic thin film memory.
(Formula 2) d <3.38 × t ^0.68 前記絶縁性材料は、一般式ＭＦｅ₂ Ｏ ₄（但し、ＭはＮｉ、Ｃｏ、ＭｇまたはＭｎを表す。）で表される化合物であることを特徴とする請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子。 _2. The magnetic thin film memory element according to claim 1, wherein the insulating material is a compound represented by a general formula MFe ₂ O ₄ (where M represents Ni, Co, Mg, or Mn). 前記非磁性層が絶縁膜で形成され、第１磁性層と第２磁性層のスピン依存トンネリングにより磁気抵抗効果が生じることを特徴とする請求項１記載の磁性薄膜メモリ素子。  2. The magnetic thin film memory element according to claim 1, wherein the nonmagnetic layer is formed of an insulating film, and a magnetoresistive effect is generated by spin-dependent tunneling of the first magnetic layer and the second magnetic layer. 前記非磁性層は、ＡｌＯｘ、ＡｌＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘおよびＮｉＯｘからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物からなることを特徴とする請求項５記載の磁性薄膜メモリ素子。The nonmagnetic layer is, AlOx, A l Nx, SiOx , magnetic thin film memory device according to claim 5, characterized in that it consists of at least one compound selected from the group consisting of SiNx and NiOx. 前記非磁性層の膜厚は４オングストローム以上２５オングストローム以下である請求項６記載の磁性薄膜メモリ素子。  7. The magnetic thin film memory element according to claim 6, wherein the film thickness of the nonmagnetic layer is 4 angstroms or more and 25 angstroms or less. マトリックス状に配列された請求項１、２及び４から７のいずれか１項に記載の複数の磁性薄膜メモリ素子と、縦または横方向に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層または第１磁性層に接続される第１ワード線と、この第１ワード線と交差する方向に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第１磁性層または第２磁性層に接続される第２ワード線とを有し、各磁性薄膜メモリ素子が第１ワード線および第２ワード線により挟まれていることを特徴とする磁性薄膜メモリ。Second magnetic plurality of magnetic thin film memory element and a plurality of magnetic thin film memory element according to any one of claims 1, 2 and 4 are arranged in a matrix 7, the Tatema other arranged in the horizontal Direction Souma others a first word line connected to the first magnetic layer, the first magnetic SOMA other plurality of magnetic thin film memory elements arranged in a direction crossing the first word line is connected to the second magnetic layer A magnetic thin film memory, wherein each magnetic thin film memory element is sandwiched between a first word line and a second word line. マトリックス状に配列された請求項１記載の複数の磁性薄膜メモリ素子と、縦または横方向に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第２磁性層または第１磁性層に接続される第１ワード線と、この第１ワード線と交差する方向に並ぶ複数の磁性薄膜メモリ素子の第１磁性層または第２磁性層に接続される第２ワード線とを有し、各磁性薄膜メモリ素子が第１ワード線および第２ワード線により挟まれている磁性薄膜メモリの記録方法であって、
前記第１ワード線と第２ワード線に電流を流し、この電流により生じる合成磁界により前記第２磁性層の磁化方向を定め、前記ワード線の電流を流す方向を変えることにより“０”と“１”の状態を記録することを特徴とする磁性薄膜メモリの記録方法。A plurality of magnetic thin film memory element according to claim 1, wherein arranged in a matrix, Tatema other second magnetic SOMA other plurality of magnetic thin film memory elements arranged sideways direction is connected to the first magnetic layer a first word line, a first magnetic SOMA other plurality of magnetic thin film memory elements arranged in a direction crossing the first word line and a second word line connected to the second magnetic layer, the magnetic A method of recording a magnetic thin film memory in which a thin film memory element is sandwiched between a first word line and a second word line,
A current is passed through the first word line and the second word line, a magnetization direction of the second magnetic layer is determined by a combined magnetic field generated by the current, and “0” and “0” are changed by changing the direction in which the current of the word line flows. A recording method for a magnetic thin film memory, wherein the state of 1 "is recorded. 請求項９記載の方法によって記録された磁性薄膜メモリの再生方法であって、再生時のワード電流により生じる磁界により、前記磁性薄膜メモリ素子の第１磁性層のみの磁化方向が反転することにより生じる抵抗変化を検出することを特徴とする磁性薄膜メモリの再生方法。10. A reproducing method of a magnetic thin film memory recorded by the method according to claim 9, wherein the magnetization direction of only the first magnetic layer of the magnetic thin film memory element is reversed by a magnetic field generated by a word current during reproduction. A method of reproducing a magnetic thin film memory, characterized by detecting a resistance change.

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